bab ii landasan teori - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/bab ii.pdf9 bab ii. landasan...

33
9 BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Energi Angin Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat sehingga zat tersebut mempunyai pengaruh pada keadaan sekitarnya. Menurut mediumnya dikenal banyak jenis energi, diantaranya energi gelombang, energi arus laut, energi kosmos, energi yang terkandung pada senyawa atom, dan energi-energi lain yang bila dimanfaatkan akan berguna bagi kehidupan manusia. Salah satunya adalah energi angin yang jumlahnya sangat tak terbatas dan banyak dimanfaatkan untuk meringankan kerja manusia. Angin memberikan energi gerak sehingga mampu menggerakkan kincir angin, perahu layar, dan bahkan dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik berupa turbin angin. Keberadaan energi angin ini terdapat di atmosfer atau lapisan udara bumi yang mengandung banyak partikel udara dan gas. Kondisi atmosfer atau lapisan udara yang menyelimuti bumi mengandung berbagai macam molekul gas dan terdiri dari beberapa lapisan. Lapisan atmosfer yang paling rendah berupa troposfer. Lapisan troposfer sangat tipis bila dibandingkan dengan diameter bumi. Bumi memiliki diameter sekitar 12.000 km lebih besar dibandingkan troposfer yang memiliki ketebalan 11 km. Pada lapisan troposfer, semua peristiwa cuaca terjadi termasuk angin. Angin adalah udara yang bergerak yang diakibatkan oleh rotasi bumi dan juga karena adanya perbedaan tekanan udara disekitarnya. Angin bergerak dari

Upload: dotu

Post on 28-May-2019

226 views

Category:

Documents


4 download

TRANSCRIPT

Page 1: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

9

BAB II

LANDASAN TEORI

21 Energi Angin

Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat sehingga zat

tersebut mempunyai pengaruh pada keadaan sekitarnya Menurut mediumnya

dikenal banyak jenis energi diantaranya energi gelombang energi arus laut

energi kosmos energi yang terkandung pada senyawa atom dan energi-energi

lain yang bila dimanfaatkan akan berguna bagi kehidupan manusia Salah satunya

adalah energi angin yang jumlahnya sangat tak terbatas dan banyak dimanfaatkan

untuk meringankan kerja manusia Angin memberikan energi gerak sehingga

mampu menggerakkan kincir angin perahu layar dan bahkan dimanfaatkan

sebagai pembangkit listrik berupa turbin angin Keberadaan energi angin ini

terdapat di atmosfer atau lapisan udara bumi yang mengandung banyak partikel

udara dan gas

Kondisi atmosfer atau lapisan udara yang menyelimuti bumi mengandung

berbagai macam molekul gas dan terdiri dari beberapa lapisan Lapisan atmosfer

yang paling rendah berupa troposfer Lapisan troposfer sangat tipis bila

dibandingkan dengan diameter bumi Bumi memiliki diameter sekitar 12000 km

lebih besar dibandingkan troposfer yang memiliki ketebalan 11 km Pada lapisan

troposfer semua peristiwa cuaca terjadi termasuk angin

Angin adalah udara yang bergerak yang diakibatkan oleh rotasi bumi dan

juga karena adanya perbedaan tekanan udara disekitarnya Angin bergerak dari

10

tempat bertekanan udara tinggi ke tempat bertekanan udara rendah Akibat

pemanasan oleh matahari maka udara memuai Tekanan udara yang telah memuai

massa jenisnya menjadi lebih ringan sehingga naik Apabila hal ini terjaditekanan

udara turun Udara disekitarnya mengalir ke tempat yang bertekanan rendah

Udara menyusut menjadi lebih berat dan turun ke tanah Diatas tanah udara

menjadi panas lagi dan naik kembali Aliran naiknya udara panas dan turunya

udara dingin ini dikarenakan konveksi

Gambar 21 Sirkulasi Udara di Pantai

(Sumber httpeprintsundipacid)

22 Turbin Angin

Turbin angin merupakan salah satu alat yang mekanisme geraknya

memanfaatkan energi angin Banyak pemakaian turbin angin khususnya di negara

yang sudah maju digunakan untuk menghasilkan listrik Turbin angin yang

digunakan dapat menghasilkan kapasitas listrik yang cukup tinggi yaitu mencapai

ratusan megawatt Adapun di negara berkembang penggunaan turbin angin

berada dalam skala riset Hal ini dikarenakan teknologi yang berada di negara

tersebut masih dalam tahap pengembangan untuk menghasilkan sebuah turbin

angin yang bagus Oleh karena itu untuk riset turbin angin akan dicari sebuah

11

desain dan bahan beserta analisanya untuk membuat turbin angin yang lebih baik

dari sebelumnya

221 Definisi dan Pengelompokan Turbin Angin

Turbin angin adalah alat yang berfungsi untuk mengubah energi

kinetik angin menjadi energi gerak berupa putaran rotor dan poros generator

untuk menghasilkan energi listrik Energi gerak yang berasal dari angin

akan diteruskan menjadi gaya gerak dan torsi pada poros generator yang

kemudian dihasilkan energi listrik Turbin angin merupakan mesin

penggerak yang energi penggeraknya berasal dari angin

Berdasarkan arah sumbu geraknya turbin angin terbagi menjadi 2

yaitu turbin angin sumbu horizontal dan sumbu vertikal Sedangkan

berdasarkan prinsip gaya aerodinamik yang terjadi turbin angin dibagi

menjadi 2 yaitu jenis lift dan drag

Pengelompokan berdasarkan prinsip aerodinamik pada rotor yang

dimaksud adalah apakah turbin angin menangkap energi angin dengan

hanya memanfaatkan gaya drag dari aliran udara yang melalui rotor atau

memanfaatkan gaya lift yang dihasilkan dari aliran udara yang melalui

bentuk aerodinamis sudu Dapat dikatakan terdapat turbin angin yang

menggunakan rotor jenis drag dan turbin angin yang memanfaatkan rotor

jenis lift Dua kelompok ini memiliki perbedaan yang jelas pada kecepatan

putar rotornya Rotor turbin angin jenis drag berputar dengan kecepatan

putar rendah sehingga disebut juga turbin angin putaran rendah Rotor turbin

12

angin jenis lift pada umumnya berputar pada kecepatan putar tinggi bila

dibandingkan dengan jenis drag sehingga disebut juga sebagai turbin angin

putaran tinggi

Turbin angin digolongkan menjadi dua kelompol berdasarkan arah

sumbu geraknya yaitu turbin angin sumbu horizontal dan turbin angin

sumbu vertikal Turbin angin sumbu horizontal memiliki sumbu putar yang

sejajar dengan tanah sedangkan turbin angin sumbu vertikal memiliki

sumbu putar yang arahnya tegak lurus dengan tanah Setiap jenis turbin

memiliki perancangan kelebihan dan kekurangannya masing-masing

222 Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH)

Turbin angin sumbu horizontal mempunyai sumbu putar yang terletak

sejajar dengan permukaan tanah dan sumbu putar rotor yang searah dengan

arah angin

Komponen utama turbin angin sumbu horizontal meliputi sudu

(blade) ekor (tail) tiang penyangga (tower) dan alternator Sudu pada

turbin angin sumbu horizontal dibuat dengan material yang ringan supaya

momen inersiamya kecil sehinggamengakibatkan sudu bisa berputar pada

kecepatan angin yang rendah Misalnya material sudu yang digunakan

berasal dari bahan kayu atau serat karbon Semakin banyak jumlah sudu

semakin cepat putaran poros turbin tetapi torsinya semakin kecil Selain itu

banyaknya jumlah sudu menyebabkan turbulensi aliran udara dan tingkat

kebisingan akibat efek suara (noise) semakin besar Sebaiknya untuk turbin

13

angin dipilih sudu yang panjang sehingga torsi yang dihasilkan akan lebih

besar Ekor pada turbin berfungsi untuk menstabilkan kondisi turbin ketika

sudu mulai berputar akibat gaya angin Ekor akan membuat badan turbin

selalu bergerak sehingga sudu akan selalu searah dengan arah datangnya

angin Meskipun arah angin selalu berubah-ubah dengan bantuan ekor akan

menyebabkan sudu selalu mengarah sesuai dengan arah datangnya angin

Tower adalah tiang penyangga yang menghubungkan perangkat turbin angin

dengan permukaan tanah Tower dibuat dengan material yang sangat kuat

agar dapat menahan beban akibat gaya berat turbin angin dan gaya dari

angin Sedangkan alternator adalah sejenis generator yang dipasangkan pada

turbin angin untuk menghasilkan daya listrik akibat putaran dari poros

turbin Poros turbin dipasang menyatu dengan poros generator (satu poros)

atau bisa juga dipasang dengan sistem transmisi roda gigi (lebih dari satu

poros)

Berdasarkan letak rotor terhadap arah angin turbin angin aksial

dibedakan menjadi dua macam yaitu

1 Upwind

2 Downwind

Turbin angin jenis upwind memiliki rotor yang menhadap arah

datangnya angin sedangkan turbin angin jenis downwind memiliki rotor

yang membelakangi arah datangnya angin

14

Gambar 22 Turbin Angin Sumbu Horizontal Beserta Komponennya

(Sumber Sanfordlegendablogspotcoid 2013)

223 Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)

Turbin angin sumbu vertikal merupakan jenis turbin angin yang

pertama dibuat manusia Pada awalnya putaran rotornya hanya

memanfaatkan efek magnus yaitu karena adanya selisih gaya drag pada

kedua sisi rotor atau sudu sehingga menghasilkan momen gaya terhadap

sumbu putar rotor Salah satu contoh turbin angin sumbu vertikal jenis drag

adalah turbin angin Savonius yang mana terdiri dari dua atau tiga lembar

pelat yang dilengkungkan pada arah tangensial yang sama terhadap sumbu

putar

Turbin angin sumbu vertikal modern menerapkan bentuk yang

aerodinamis pada rotornya untuk menghasilkan momen gaya Contohnya

adalah turbin angin Darrieus Pada turbin angin Darrieus sudu dibentuk

melengkung dan berputar menyapu ruangan seperti tali yang berputar pada

sumbu vertikal Hal ini menyebabkan bentuk geometri sudunya rumit dan

15

sulit untuk dibuat Rotor turbin angin Darrieus pada umumya terdiri dari dua

atau tiga sudu Variasi dari turbin angin Darrieus adalah yang disebut

dengan turbin angin H (tipe H) tersusun dari dua atau tiga sudu lurus yang

dihubungkan dengan struktur rangka ke poros

Keuntungan dari konsep turbin angin sumbu vertikal adalah sederhana

dalam perancangannya diantaranya adalah memungkinkan menempatkan

komponen mekanik dan komponen elektronik transmisi roda gigi dan

generator dekat dengan permukaan tanah Rotor turbin angin sumbu vertikal

berputar tanpa dipengaruhi arah angin sehingga tidak membutuhkan

mekanisme pengatur arah (seperti ekor) yang ada pada turbin angin sumbu

horizontal

Gambar 23 Turbin Angin Sumbu Vertikal

(Sumber httpwwwpinterestcom)

16

Pada penerapannya turbin angin Savonius digunakan pada keperluan

kecil dan sederhana seperti untuk memutar pompa air Turbin angin

Savonius tidak sesuai digunakan untuk pembangkit listrik dikarenakan top

speed ratio dan faktor daya yang relatif rendah Dengan rancangan

aerodinamik yang optimal turbin angin savonius akan mencapai faktor daya

yang terbesar 025 Turbin angin Darrieus dapat digunakan untuk

pembangkit listrik karena memiliki putaran yang lebih tinggi dan faktor

daya yang lebih besar dibandingkan turbin angin Savonius

23 Potensi Angin di Indonesia

Potensi energi angin di Indonesia umumnya berkecepatan lebih dari 5 meter

per detik (ms) Hasil pemetaan Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional

(Lapan) pada 120 lokasi menunjukkan beberapa wilayah memiliki kecepatan

angin di atas 5 mdetik masing-masing Nusa Tenggara Timur Nusa Tenggara

Barat Sulawesi Selatan dan Pantai Selatan Jawa

Adapun kecepatan angin 4 ms hingga 5 ms tergolong berskala menengah

dengan potensi kapasitas 10-100 kW

Gambar 24 Peta Potensi Energi Angin di Indonesia

(sumber httpwwwhijaukucom)

17

Wilayah Indonesia yang berada di sekitar daerah ekuator merupakan daerah

pertemuan sirkulasi Hadley Walker dan lokal Kondisi ini ditengarai memiliki

potensi angin yang dapat dimanfaatkan untuk pengembangan energi terbarukan

sebagai alternatif pembangkit listrik yang selama ini lebih banyak menggunakan

bahan bakar minyak bumi Wilayah Sulawesi dan Maluku terletak di kawasan

Indonesia Timur yang terdiri dari ratusan pulau kecil yang sebagian besar

berpenduduk Seiring perkembangan zaman kebutuhan listrik di daerah tersebut

semakin meningkat untuk memenuhi kebutuhan listrik tersebut di bangun

pembangkit listrik tenaga diesel yang sangat bergantung pada bahan bakar fosil

dan berpotensi menimbulkan polusi terhadap lingkungan

Indonesia negara kepulauan yang 23 wilayahnya adalah lautan dan

mempunyai garis pantai terpanjang di dunia yaitu plusmn 8079142 Km merupakan

wilayah potensial untuk pengembangan pembanglit listrik tenaga angin

Pembangkit Listrik Tenaga Angin (Wind Power) adalah pembangkit yang

memanfaatkan hembusan angin sebagai sumber penghasil listrik Alat utamanya

adalah generator dengan generator tersebut maka dapat dihasilkan arus listrik dari

gerakan bladebaling-baling yang bergerak karena hembusan angin Pembangkit

ini (PLTB) lebih effisien dari pada pembangkit listrik tenaga surya didalam

menghasilkan listrik Pembangkit listrik telah ada dipasaran memiliki kapasitas

Watt per jam 200 400 500 1000 2000 dan 3000 Watt

Umumnya suatu pembangkit listrik tenaga anginbayu (PLTB) terdiri dari

beberapa komponen utama yaitu a) kincir angin b) gear box c) brake system d)

generator dan e) alat penyimpan energi

18

24 Dasar Perancangan Turbin Angin

241 Daya

Angin adalah udara yang bergerak Karena udara mempunyai massa

maka energi yang ditimbulkannya dapat dihitung berdasarkan energi kinetik

yang dirumuskan sebagai berikut

Energi Kinetik Ek = 05 x m x Vsup2 helliphellip(Eric Hau 2005 82)

dimana

m = massa (kg) (1 kg = 22 pounds)

V = kecepatan angin (mdetik) (meter = 3281 feet = 3937 inches)

Maka persamaan energi kinetik diatas menjadi persamaan aliran

Tenaga pada permukaan kincir adalah

P = 05 x ρ x A x Vsup3 helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 84)

dimana

P = tenaga dalam watts (746 watts = 1 hp) (1000 watts = 1 kilowatt)

ρ = massa jenis udara (1225 kgmsup3 pada permukaan laut)

A = permukaan kincir (msup2)

V = kecepatan angin dalam meterdetik (20 mph = 9 mdetik)

(mph224 = mdetik)

Persamaan ini merupakan tenaga dari aliran udara secara bebas Tidak

semua tenaga ini dapat diambil karena ada aliran udara yang lewat melalui

kincir (hanya dinding tegak lurus arah angin yang dapat mengambil 100

19

energi aliran angin) Sehingga kita harus menurunkan persamaan baru yang

lebih praktis untuk kincir angin

Tenaga Kincir Angin

P = 05 x ρ x A x Cp x Vsup3 x Ng x Nb helliphelliphelliphelliphelliphellip

(Eric Hau 2005 82)

dimana

P = tenaga dalam watts (746 watts = 1 hp) (1000 watts = 1 kilowatt)

ρ = massa jenis udara (1225 kgmsup3 pada permukaan laut)

A = permukaan kincir (msup2)

Cp = Koefisien kinerja (maksimum teoritis = 059 [Betz limit] Desain

= 035)

V = kecepatan angin dalam mdetik (20 mph = 9 mdetik)

Ng = efisiensi generator (50 altenator mobil 80 atau lebih utk

permanent magnet generator)

Nb = efisiensi gearboxbearing (jika bagus dapat mencapai 95)

20

242 Power Coefficient dan Tip Ratio

2421 Power Coefficient

Merupakan perbandingan antara daya yang dihasilkan secara

mekanik pada sudu akibat gaya angin terhadap daya yang dihasilkan

oleh gaya lift pada aliran udara Secara matematis hubungan ini dapat

dituliskan

= =

= =

(Erich Hau 2013 559)

dimana

= Koefisien daya

P = Daya mekanik dihasilkan rotor (watt)

= Daya mekanik total yang terkandung dalam angina yang

melalui sudu

ρ = Massa jenis udara (kg )

A = Luas penampang bidang sudu ( )

= Kecepatan aliran udara sebelum melewati sudu rotor (ms)

= Kecepatan aliran udara setelah melewati sudu rotor (ms)

21

Gambar 25 Kecepatan Udara Masuk dan Keluar Turbin

(Sumber httpeprintsundipacid)

Energi yang terkandung pada spin (putaran sudu) akan

mengurangi proporsi penggunaan energi total yang terkandung pada

aliran Secara teori momentum power coefficient dari turbin harus

lebih kecil daripada harga yang ditentukan oleh Belzrsquos (sekitar 0593)

akibat terjadinya losses pada mekanisme gerak turbin angin Power

coefficient bergantung pada rasio antara komponen energi gerak putar

sudu dan gerak rotasi pada aliran udara Rasio ini didefinisikan

sebagai kecepatan tangensial sudu rotor terhadap kecepatan aksial atau

kecepatan angina dan didefinisikan sebagai tip speed ratio () yang

secara umum direkomendasikan pada kecepatan tangensial dari ujung

sudu

2422 Tip Speed Ratio

Tip speed ratio (rasio kecepatan ujung) adalah rasio ujung rotor

terhadap kecepatan angin bebas Untuk kecepatan angin nominal yang

tertentu tip speed ratio akan berpengaruh pada kecepatan rotorTurbin

angin tip lift akan memiliki speed ratio yang lebih besar dibandingkan

22

dengan turbin tipe drag Besarnya tip speed ratio dapat dihitung

dengan persamaan

= helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 84)

dimana

= Tip Speed ratio

D = Diameter rotor (m)

n = Putaran rotor

v = Kecepatan angin (ms)

243 Gaya Horizontal Akibat Kecepatan Angin (kg)

Untuk menghitung energi maksimal angin yaitu dengan rumus sebagai

berikut

P = p A helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 82)

dimana

P = Daya angin (Watt)

ρ = kerapatan udara (kg )

A = Luas penampang blade (msup2)

V = kecepatan angin (ms)

23

Dalam hal ini dibutuhkan gaya drag lift di kali capture area

untuk mengetahui gaya angin yang sesungguhnya maka dapat

dihitung dengan rumus sebagai berikut

= A x Df helliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 86)

dimana

A = Luas Blade ( )

Df = Gaya drag (kg )

Gaya Df adalah gaya yang bekerja menabrak sudu turbin secara

horizontal yang dapat dihitung dengan rumus

Df = P sin szlig (kg )

244 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu

Jumlah sudu dapat ditetapkan berdasarkan harga satuan TSR

sebagaimana tabel berikut ini

Tabel 21 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu Berdasarkan TSR

λ 1 2 3 4 5-8 8-15

B 6-20 4-12 3-6 2-4 2-3 1-2

24

245 Geometri Bilah Sudu

Untuk memudahkan perhitungan jari-jari sudu dibagi menjadi 10

bagian dan diperoleh jari-jari lokal masing-masing bagian dari pusat rotor

adalah sebagai berikut

Tabel 22 Harga Radius Lokal Blade

r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10

02 04 06 08 100 120 140 160 180 200

Untuk menghitung rasio kecepatan lokal digunakan rumus dari

Djoyodihardjo (1983) sebagai berikut

λr1 = λ0

dimana

λr1 = Rasio kecepatan lokal

r = Jari-jari lokal dari pusat rotor (m)

λ0 = Rasio kecepatan ujung

R = Radius baling-baling (m)

25

246 Desain Ekor Pengarah (Tail)

Luas daun ekor pengarah dapat dihitung dengan menggunakan rumus

A 0 = 016 Ar

Dimana

A 0 = Luas daerah ekor pengarah (m2)

Ar = Luas sapuan rotor (m2)

IR = Jarak rotor ke sumbu vertikal menara (m)

IV = Jarak pusat daun ekor ke sumbu vertikal menara (m)

Ar =

247 Perencanaan Poros

Poros perlu dirancang berdasarkan pada

1 Kekuatan (strength)

2 Kekakuan (rigidity)

2471 Poros dengan beban torsi saja

Bila poros mendapat beban momen puntir atau torsi maka

diameter poros bisa diperoleh dengan menggunakan persamaan torsi

r

f

J

T S

Dimana

T = torsi yang bekerja pada poros (kg-cm)

J = momen inersia polar dari luas penampang (cm4)

fs = tegangan geser akibat torsi (kgcm2)

r = jarak dari sumbu netral ke bagian terluar (cm)

26

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

32

4dJ

Sehingga momen puntir pada poros adalah

3 16

dfT S

Untuk poros berongga

) -(32

44

0 iddJ

Dimana

d0 = diameter luar

di = diameter dalam

Dengan mensubstitusikan did0 = k maka didapat

0

i43

0sd

dk )k-(1 d f

16

T

Daya yang ditransmisikan oleh poros dapat diperoleh dari

60

NT2P

Dimana

P = daya (wat)

T = torsi (N-m)

N = kecepatan (rpm)

27

Dalam transmisi belt torsi diberikan dengan persamaan berikut

R)T - ( 21TT

Dimana

T1 = tarikan pada sisi kencang

T2 = tarikan pada sisi kendor

R = radius puli

2472 Poros dengan beban momen bending saja

Bila poros mendapat beban momen bending maka tegangan

maksimum (tarik atau tekan) diberikan oleh persamaan bending

y

f

M b

Dimana

M = momen bending (kg-cm)

I = momen inersia luas penampang terhadap sumbu

putar (cm4)

fb = tegangan bending (kgcm2)

y = jari-jari poros (cm)

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

2

d y dan d

64

4

I

Setelah disubstitusikan didapat

3

b d f 32

M

28

Untuk poros berongga

2

d y )k-1(

64)-(

64

0

0

44

0

44

0 d

dkdddI i

i

Bila (I) dan (y) dimasukkan ke persamaan maka diperoleh

)k-1(d f 32

43

0b

M

2473 Poros dengan kombinasi torsi dan bending

Jika poros mendapat beban gabungan torsi dan momen bending

maka poros harus dirancang berdasarkan torsi dan momen bending

secara simultan Dalam kondisi beban gabungan ini ada dua teori

yang dipakai untuk menghitung kegagalan elastik bahan yaitu

1 Teori tegangan geser maksimum atau Guestrsquos theory

Digunakan untuk bahan yang ulet (ductile materials) seperti

mild steel

2 Teori tegangan normal maksimum atau Rankinesrsquotheory

Digunakan untuk bahan yang rapuh (brittle materials) seperti

besi tuang

Merujuk pada teori tegangan geser maksimum maka tegangan

geser maksimum pada poros

22

)( 42

1SbmakS fff

Dimana

fb = tegangan bending akibat momen bending

fs = tegangan geser akibat torsi

29

Bila dimasukkan nilai fb dan fS maka

22

3

2

3

2

3)(

16

164

32

2

1TM

dd

T

d

Mf maks

16

223

)( TMdfatau makS

Menurut pembebanannya maka poros diklasifikasikan ke dalam

beberapa jenis sebagai berikut

a Poros trasmisi merupakan bagian mesin yang berputar biasanya

bentuk penampangnya bulat digunakan untuk memindahkan daya

melalui putaran Penerusan daya dilakukan melalui roda gigi kopling

puli sabuk sprocket rantai

b As atau gandar bentuknya seperti poros tetapi biasanya tidak

berputar tidak memindahkan torsi dan digunakan untuk menumpu

roda yang berputar pulley roda gigi dsb

c Spindle (poros mesin) adalah poros pendek yang merupakan

bagian yang menyatu dengan mesinnya

Hal-hal penting di dalam perhitungan poros

1 Tegangan dan kekuatan

2 Kekuatan

a Kekuatan statis

b Kekuatan kelelahan

c Keandalan

30

3 Defleksi dan ketegaran (rigidity)

a Defleksi bengkok

b Defleksi puntir

c Slope pada bantalan dan elemen-elemen penumpu poros

d Defleksi geser akibat beban melintang pada poros pendek

4 Keterangan-keterangan poros

Di dalam perancangan pada poros kincir angin horizontal pada

umumnya lebih menggunakanbahan poros = S 35 C

248 Roda Gigi atau Gearbox

Roda gigi berfungsi untuk mentransmisikan daya dan putaran yaitu

dari putaran tinggi ke putaran rendah ataupun dari putaran rendah ke

putaran yang lebih tinggi sehingga daya yang dihasilkan dari sudu rotor

dapat ditransmisikan ke beban yang ingin di gerakkan (Sularso Kiyokatsu

Suga Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin)

2481 Perhitungan Dalam Roda Gigi

Dalam merancang roda gigi lurus prosedur berikut dapat

diikuti

Beban tangensial gigi diperoleh dari hubungan berikut

sT CV

PW

4500

31

Dimana

WT = beban tangensial gigi yang diijinkan (kg)

P = daya yang ditransmisikan (hp)

V = kecepatan keliling (mmenit)

(mmenit) 100

NDV

D = pitch diameter (cm)

N = kecepatan putar (rpm)

Cs = service factor (tabel)

Dalam transmisi roda gigi kita mengenal adanya input dan

output juga kita mengenal adanya Efisiensi gear Apabila putaran

keluaran output lebih rendah dari masukan input maka transmisi

disebut reduksi (reduction gear) tetapi apabila keluaran lebih cepat

dari pada masukan maka disebut inkrisi ( increaser gear) Kerjasama

lebih dari dua roda gigi disebut transmisi kereta api (train gear)

Perbadingan input dan output disebut perbandingan putaran

transmisi (speed ratio) dinyatakan dalam notasi i

Speed ratio i = n1 n2 = d2 d1 = z2 z1

Apabila

i lt 1 = transmisi roda gigi inkrisi

32

i gt 1 = transmisi roda gigi reduksi

dimana

n = Kecepatan (rpm)

d = Diameter ( in)

Z = Jumlah gigi

Perbandingan Gear ( Gear Ratio) variabel yang perlu diketahui

z = Jumlah gigi

d = Diameter

n = Kecepatan (speed)

τ = Torsi

2482 Klasifikasi Roda Gigi

Adapun roda gigi diklasifikasikan menurut beberapa hal yaitu

1 Menurut letak poros

2 Menurut bentuk alur gigi

3 Menurut arah putarannya

1 Menurut Letak Poros

Pembagian roda gigi menurut letak porosnya ada tiga macam yaitu

a Roda gigi dengan poros sejajar yaitu roda gigi di mana giginya

berjajar pada dua bidang silinder kedua bidang silinder tersebut

33

bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan

sumbu tetap sejajar Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

sejajar antara lain adalah

Roda gigi lurus

Roda gigi luar

Roda gigi miring

Roda gigi dalam

Roda gigi ganda

Roda gigi pinion

b Roda gigi dengan poros berpotongan yaitu roda gigi dimana giginya

berpotongan pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut

bersinggungan Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

berpotongan antara lain adalah

Roda gigi kerucut lurus

Roda gigi kerucut miring

Roda gigi kerucut spiral

Roda gigi kerucut miring ganda

Roda gigi permukaan

Roda gigi kerucut zerol

34

Gambar 26 Roda Gigi Sejajar Berpotongan dan Menyilang

c Roda gigi dengan poros silang yaitu roda gigi yang kedua sumbunya

saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan

gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan

menggelinding Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros silang

antara lain adalah

Roda gigi cacing silindris

Roda gigi hyperboloid

Roda gigi hipoid

Roda gigi cacing samping

2 Menurut Bentuk Alur Gigi

Pembagian roda gigi menurut bentuk alur giginya dibagi menjadi tiga

macam yaitu

a Roda gigi lurus yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan

sejajar dengan poros

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 2: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

10

tempat bertekanan udara tinggi ke tempat bertekanan udara rendah Akibat

pemanasan oleh matahari maka udara memuai Tekanan udara yang telah memuai

massa jenisnya menjadi lebih ringan sehingga naik Apabila hal ini terjaditekanan

udara turun Udara disekitarnya mengalir ke tempat yang bertekanan rendah

Udara menyusut menjadi lebih berat dan turun ke tanah Diatas tanah udara

menjadi panas lagi dan naik kembali Aliran naiknya udara panas dan turunya

udara dingin ini dikarenakan konveksi

Gambar 21 Sirkulasi Udara di Pantai

(Sumber httpeprintsundipacid)

22 Turbin Angin

Turbin angin merupakan salah satu alat yang mekanisme geraknya

memanfaatkan energi angin Banyak pemakaian turbin angin khususnya di negara

yang sudah maju digunakan untuk menghasilkan listrik Turbin angin yang

digunakan dapat menghasilkan kapasitas listrik yang cukup tinggi yaitu mencapai

ratusan megawatt Adapun di negara berkembang penggunaan turbin angin

berada dalam skala riset Hal ini dikarenakan teknologi yang berada di negara

tersebut masih dalam tahap pengembangan untuk menghasilkan sebuah turbin

angin yang bagus Oleh karena itu untuk riset turbin angin akan dicari sebuah

11

desain dan bahan beserta analisanya untuk membuat turbin angin yang lebih baik

dari sebelumnya

221 Definisi dan Pengelompokan Turbin Angin

Turbin angin adalah alat yang berfungsi untuk mengubah energi

kinetik angin menjadi energi gerak berupa putaran rotor dan poros generator

untuk menghasilkan energi listrik Energi gerak yang berasal dari angin

akan diteruskan menjadi gaya gerak dan torsi pada poros generator yang

kemudian dihasilkan energi listrik Turbin angin merupakan mesin

penggerak yang energi penggeraknya berasal dari angin

Berdasarkan arah sumbu geraknya turbin angin terbagi menjadi 2

yaitu turbin angin sumbu horizontal dan sumbu vertikal Sedangkan

berdasarkan prinsip gaya aerodinamik yang terjadi turbin angin dibagi

menjadi 2 yaitu jenis lift dan drag

Pengelompokan berdasarkan prinsip aerodinamik pada rotor yang

dimaksud adalah apakah turbin angin menangkap energi angin dengan

hanya memanfaatkan gaya drag dari aliran udara yang melalui rotor atau

memanfaatkan gaya lift yang dihasilkan dari aliran udara yang melalui

bentuk aerodinamis sudu Dapat dikatakan terdapat turbin angin yang

menggunakan rotor jenis drag dan turbin angin yang memanfaatkan rotor

jenis lift Dua kelompok ini memiliki perbedaan yang jelas pada kecepatan

putar rotornya Rotor turbin angin jenis drag berputar dengan kecepatan

putar rendah sehingga disebut juga turbin angin putaran rendah Rotor turbin

12

angin jenis lift pada umumnya berputar pada kecepatan putar tinggi bila

dibandingkan dengan jenis drag sehingga disebut juga sebagai turbin angin

putaran tinggi

Turbin angin digolongkan menjadi dua kelompol berdasarkan arah

sumbu geraknya yaitu turbin angin sumbu horizontal dan turbin angin

sumbu vertikal Turbin angin sumbu horizontal memiliki sumbu putar yang

sejajar dengan tanah sedangkan turbin angin sumbu vertikal memiliki

sumbu putar yang arahnya tegak lurus dengan tanah Setiap jenis turbin

memiliki perancangan kelebihan dan kekurangannya masing-masing

222 Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH)

Turbin angin sumbu horizontal mempunyai sumbu putar yang terletak

sejajar dengan permukaan tanah dan sumbu putar rotor yang searah dengan

arah angin

Komponen utama turbin angin sumbu horizontal meliputi sudu

(blade) ekor (tail) tiang penyangga (tower) dan alternator Sudu pada

turbin angin sumbu horizontal dibuat dengan material yang ringan supaya

momen inersiamya kecil sehinggamengakibatkan sudu bisa berputar pada

kecepatan angin yang rendah Misalnya material sudu yang digunakan

berasal dari bahan kayu atau serat karbon Semakin banyak jumlah sudu

semakin cepat putaran poros turbin tetapi torsinya semakin kecil Selain itu

banyaknya jumlah sudu menyebabkan turbulensi aliran udara dan tingkat

kebisingan akibat efek suara (noise) semakin besar Sebaiknya untuk turbin

13

angin dipilih sudu yang panjang sehingga torsi yang dihasilkan akan lebih

besar Ekor pada turbin berfungsi untuk menstabilkan kondisi turbin ketika

sudu mulai berputar akibat gaya angin Ekor akan membuat badan turbin

selalu bergerak sehingga sudu akan selalu searah dengan arah datangnya

angin Meskipun arah angin selalu berubah-ubah dengan bantuan ekor akan

menyebabkan sudu selalu mengarah sesuai dengan arah datangnya angin

Tower adalah tiang penyangga yang menghubungkan perangkat turbin angin

dengan permukaan tanah Tower dibuat dengan material yang sangat kuat

agar dapat menahan beban akibat gaya berat turbin angin dan gaya dari

angin Sedangkan alternator adalah sejenis generator yang dipasangkan pada

turbin angin untuk menghasilkan daya listrik akibat putaran dari poros

turbin Poros turbin dipasang menyatu dengan poros generator (satu poros)

atau bisa juga dipasang dengan sistem transmisi roda gigi (lebih dari satu

poros)

Berdasarkan letak rotor terhadap arah angin turbin angin aksial

dibedakan menjadi dua macam yaitu

1 Upwind

2 Downwind

Turbin angin jenis upwind memiliki rotor yang menhadap arah

datangnya angin sedangkan turbin angin jenis downwind memiliki rotor

yang membelakangi arah datangnya angin

14

Gambar 22 Turbin Angin Sumbu Horizontal Beserta Komponennya

(Sumber Sanfordlegendablogspotcoid 2013)

223 Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)

Turbin angin sumbu vertikal merupakan jenis turbin angin yang

pertama dibuat manusia Pada awalnya putaran rotornya hanya

memanfaatkan efek magnus yaitu karena adanya selisih gaya drag pada

kedua sisi rotor atau sudu sehingga menghasilkan momen gaya terhadap

sumbu putar rotor Salah satu contoh turbin angin sumbu vertikal jenis drag

adalah turbin angin Savonius yang mana terdiri dari dua atau tiga lembar

pelat yang dilengkungkan pada arah tangensial yang sama terhadap sumbu

putar

Turbin angin sumbu vertikal modern menerapkan bentuk yang

aerodinamis pada rotornya untuk menghasilkan momen gaya Contohnya

adalah turbin angin Darrieus Pada turbin angin Darrieus sudu dibentuk

melengkung dan berputar menyapu ruangan seperti tali yang berputar pada

sumbu vertikal Hal ini menyebabkan bentuk geometri sudunya rumit dan

15

sulit untuk dibuat Rotor turbin angin Darrieus pada umumya terdiri dari dua

atau tiga sudu Variasi dari turbin angin Darrieus adalah yang disebut

dengan turbin angin H (tipe H) tersusun dari dua atau tiga sudu lurus yang

dihubungkan dengan struktur rangka ke poros

Keuntungan dari konsep turbin angin sumbu vertikal adalah sederhana

dalam perancangannya diantaranya adalah memungkinkan menempatkan

komponen mekanik dan komponen elektronik transmisi roda gigi dan

generator dekat dengan permukaan tanah Rotor turbin angin sumbu vertikal

berputar tanpa dipengaruhi arah angin sehingga tidak membutuhkan

mekanisme pengatur arah (seperti ekor) yang ada pada turbin angin sumbu

horizontal

Gambar 23 Turbin Angin Sumbu Vertikal

(Sumber httpwwwpinterestcom)

16

Pada penerapannya turbin angin Savonius digunakan pada keperluan

kecil dan sederhana seperti untuk memutar pompa air Turbin angin

Savonius tidak sesuai digunakan untuk pembangkit listrik dikarenakan top

speed ratio dan faktor daya yang relatif rendah Dengan rancangan

aerodinamik yang optimal turbin angin savonius akan mencapai faktor daya

yang terbesar 025 Turbin angin Darrieus dapat digunakan untuk

pembangkit listrik karena memiliki putaran yang lebih tinggi dan faktor

daya yang lebih besar dibandingkan turbin angin Savonius

23 Potensi Angin di Indonesia

Potensi energi angin di Indonesia umumnya berkecepatan lebih dari 5 meter

per detik (ms) Hasil pemetaan Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional

(Lapan) pada 120 lokasi menunjukkan beberapa wilayah memiliki kecepatan

angin di atas 5 mdetik masing-masing Nusa Tenggara Timur Nusa Tenggara

Barat Sulawesi Selatan dan Pantai Selatan Jawa

Adapun kecepatan angin 4 ms hingga 5 ms tergolong berskala menengah

dengan potensi kapasitas 10-100 kW

Gambar 24 Peta Potensi Energi Angin di Indonesia

(sumber httpwwwhijaukucom)

17

Wilayah Indonesia yang berada di sekitar daerah ekuator merupakan daerah

pertemuan sirkulasi Hadley Walker dan lokal Kondisi ini ditengarai memiliki

potensi angin yang dapat dimanfaatkan untuk pengembangan energi terbarukan

sebagai alternatif pembangkit listrik yang selama ini lebih banyak menggunakan

bahan bakar minyak bumi Wilayah Sulawesi dan Maluku terletak di kawasan

Indonesia Timur yang terdiri dari ratusan pulau kecil yang sebagian besar

berpenduduk Seiring perkembangan zaman kebutuhan listrik di daerah tersebut

semakin meningkat untuk memenuhi kebutuhan listrik tersebut di bangun

pembangkit listrik tenaga diesel yang sangat bergantung pada bahan bakar fosil

dan berpotensi menimbulkan polusi terhadap lingkungan

Indonesia negara kepulauan yang 23 wilayahnya adalah lautan dan

mempunyai garis pantai terpanjang di dunia yaitu plusmn 8079142 Km merupakan

wilayah potensial untuk pengembangan pembanglit listrik tenaga angin

Pembangkit Listrik Tenaga Angin (Wind Power) adalah pembangkit yang

memanfaatkan hembusan angin sebagai sumber penghasil listrik Alat utamanya

adalah generator dengan generator tersebut maka dapat dihasilkan arus listrik dari

gerakan bladebaling-baling yang bergerak karena hembusan angin Pembangkit

ini (PLTB) lebih effisien dari pada pembangkit listrik tenaga surya didalam

menghasilkan listrik Pembangkit listrik telah ada dipasaran memiliki kapasitas

Watt per jam 200 400 500 1000 2000 dan 3000 Watt

Umumnya suatu pembangkit listrik tenaga anginbayu (PLTB) terdiri dari

beberapa komponen utama yaitu a) kincir angin b) gear box c) brake system d)

generator dan e) alat penyimpan energi

18

24 Dasar Perancangan Turbin Angin

241 Daya

Angin adalah udara yang bergerak Karena udara mempunyai massa

maka energi yang ditimbulkannya dapat dihitung berdasarkan energi kinetik

yang dirumuskan sebagai berikut

Energi Kinetik Ek = 05 x m x Vsup2 helliphellip(Eric Hau 2005 82)

dimana

m = massa (kg) (1 kg = 22 pounds)

V = kecepatan angin (mdetik) (meter = 3281 feet = 3937 inches)

Maka persamaan energi kinetik diatas menjadi persamaan aliran

Tenaga pada permukaan kincir adalah

P = 05 x ρ x A x Vsup3 helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 84)

dimana

P = tenaga dalam watts (746 watts = 1 hp) (1000 watts = 1 kilowatt)

ρ = massa jenis udara (1225 kgmsup3 pada permukaan laut)

A = permukaan kincir (msup2)

V = kecepatan angin dalam meterdetik (20 mph = 9 mdetik)

(mph224 = mdetik)

Persamaan ini merupakan tenaga dari aliran udara secara bebas Tidak

semua tenaga ini dapat diambil karena ada aliran udara yang lewat melalui

kincir (hanya dinding tegak lurus arah angin yang dapat mengambil 100

19

energi aliran angin) Sehingga kita harus menurunkan persamaan baru yang

lebih praktis untuk kincir angin

Tenaga Kincir Angin

P = 05 x ρ x A x Cp x Vsup3 x Ng x Nb helliphelliphelliphelliphelliphellip

(Eric Hau 2005 82)

dimana

P = tenaga dalam watts (746 watts = 1 hp) (1000 watts = 1 kilowatt)

ρ = massa jenis udara (1225 kgmsup3 pada permukaan laut)

A = permukaan kincir (msup2)

Cp = Koefisien kinerja (maksimum teoritis = 059 [Betz limit] Desain

= 035)

V = kecepatan angin dalam mdetik (20 mph = 9 mdetik)

Ng = efisiensi generator (50 altenator mobil 80 atau lebih utk

permanent magnet generator)

Nb = efisiensi gearboxbearing (jika bagus dapat mencapai 95)

20

242 Power Coefficient dan Tip Ratio

2421 Power Coefficient

Merupakan perbandingan antara daya yang dihasilkan secara

mekanik pada sudu akibat gaya angin terhadap daya yang dihasilkan

oleh gaya lift pada aliran udara Secara matematis hubungan ini dapat

dituliskan

= =

= =

(Erich Hau 2013 559)

dimana

= Koefisien daya

P = Daya mekanik dihasilkan rotor (watt)

= Daya mekanik total yang terkandung dalam angina yang

melalui sudu

ρ = Massa jenis udara (kg )

A = Luas penampang bidang sudu ( )

= Kecepatan aliran udara sebelum melewati sudu rotor (ms)

= Kecepatan aliran udara setelah melewati sudu rotor (ms)

21

Gambar 25 Kecepatan Udara Masuk dan Keluar Turbin

(Sumber httpeprintsundipacid)

Energi yang terkandung pada spin (putaran sudu) akan

mengurangi proporsi penggunaan energi total yang terkandung pada

aliran Secara teori momentum power coefficient dari turbin harus

lebih kecil daripada harga yang ditentukan oleh Belzrsquos (sekitar 0593)

akibat terjadinya losses pada mekanisme gerak turbin angin Power

coefficient bergantung pada rasio antara komponen energi gerak putar

sudu dan gerak rotasi pada aliran udara Rasio ini didefinisikan

sebagai kecepatan tangensial sudu rotor terhadap kecepatan aksial atau

kecepatan angina dan didefinisikan sebagai tip speed ratio () yang

secara umum direkomendasikan pada kecepatan tangensial dari ujung

sudu

2422 Tip Speed Ratio

Tip speed ratio (rasio kecepatan ujung) adalah rasio ujung rotor

terhadap kecepatan angin bebas Untuk kecepatan angin nominal yang

tertentu tip speed ratio akan berpengaruh pada kecepatan rotorTurbin

angin tip lift akan memiliki speed ratio yang lebih besar dibandingkan

22

dengan turbin tipe drag Besarnya tip speed ratio dapat dihitung

dengan persamaan

= helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 84)

dimana

= Tip Speed ratio

D = Diameter rotor (m)

n = Putaran rotor

v = Kecepatan angin (ms)

243 Gaya Horizontal Akibat Kecepatan Angin (kg)

Untuk menghitung energi maksimal angin yaitu dengan rumus sebagai

berikut

P = p A helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 82)

dimana

P = Daya angin (Watt)

ρ = kerapatan udara (kg )

A = Luas penampang blade (msup2)

V = kecepatan angin (ms)

23

Dalam hal ini dibutuhkan gaya drag lift di kali capture area

untuk mengetahui gaya angin yang sesungguhnya maka dapat

dihitung dengan rumus sebagai berikut

= A x Df helliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 86)

dimana

A = Luas Blade ( )

Df = Gaya drag (kg )

Gaya Df adalah gaya yang bekerja menabrak sudu turbin secara

horizontal yang dapat dihitung dengan rumus

Df = P sin szlig (kg )

244 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu

Jumlah sudu dapat ditetapkan berdasarkan harga satuan TSR

sebagaimana tabel berikut ini

Tabel 21 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu Berdasarkan TSR

λ 1 2 3 4 5-8 8-15

B 6-20 4-12 3-6 2-4 2-3 1-2

24

245 Geometri Bilah Sudu

Untuk memudahkan perhitungan jari-jari sudu dibagi menjadi 10

bagian dan diperoleh jari-jari lokal masing-masing bagian dari pusat rotor

adalah sebagai berikut

Tabel 22 Harga Radius Lokal Blade

r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10

02 04 06 08 100 120 140 160 180 200

Untuk menghitung rasio kecepatan lokal digunakan rumus dari

Djoyodihardjo (1983) sebagai berikut

λr1 = λ0

dimana

λr1 = Rasio kecepatan lokal

r = Jari-jari lokal dari pusat rotor (m)

λ0 = Rasio kecepatan ujung

R = Radius baling-baling (m)

25

246 Desain Ekor Pengarah (Tail)

Luas daun ekor pengarah dapat dihitung dengan menggunakan rumus

A 0 = 016 Ar

Dimana

A 0 = Luas daerah ekor pengarah (m2)

Ar = Luas sapuan rotor (m2)

IR = Jarak rotor ke sumbu vertikal menara (m)

IV = Jarak pusat daun ekor ke sumbu vertikal menara (m)

Ar =

247 Perencanaan Poros

Poros perlu dirancang berdasarkan pada

1 Kekuatan (strength)

2 Kekakuan (rigidity)

2471 Poros dengan beban torsi saja

Bila poros mendapat beban momen puntir atau torsi maka

diameter poros bisa diperoleh dengan menggunakan persamaan torsi

r

f

J

T S

Dimana

T = torsi yang bekerja pada poros (kg-cm)

J = momen inersia polar dari luas penampang (cm4)

fs = tegangan geser akibat torsi (kgcm2)

r = jarak dari sumbu netral ke bagian terluar (cm)

26

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

32

4dJ

Sehingga momen puntir pada poros adalah

3 16

dfT S

Untuk poros berongga

) -(32

44

0 iddJ

Dimana

d0 = diameter luar

di = diameter dalam

Dengan mensubstitusikan did0 = k maka didapat

0

i43

0sd

dk )k-(1 d f

16

T

Daya yang ditransmisikan oleh poros dapat diperoleh dari

60

NT2P

Dimana

P = daya (wat)

T = torsi (N-m)

N = kecepatan (rpm)

27

Dalam transmisi belt torsi diberikan dengan persamaan berikut

R)T - ( 21TT

Dimana

T1 = tarikan pada sisi kencang

T2 = tarikan pada sisi kendor

R = radius puli

2472 Poros dengan beban momen bending saja

Bila poros mendapat beban momen bending maka tegangan

maksimum (tarik atau tekan) diberikan oleh persamaan bending

y

f

M b

Dimana

M = momen bending (kg-cm)

I = momen inersia luas penampang terhadap sumbu

putar (cm4)

fb = tegangan bending (kgcm2)

y = jari-jari poros (cm)

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

2

d y dan d

64

4

I

Setelah disubstitusikan didapat

3

b d f 32

M

28

Untuk poros berongga

2

d y )k-1(

64)-(

64

0

0

44

0

44

0 d

dkdddI i

i

Bila (I) dan (y) dimasukkan ke persamaan maka diperoleh

)k-1(d f 32

43

0b

M

2473 Poros dengan kombinasi torsi dan bending

Jika poros mendapat beban gabungan torsi dan momen bending

maka poros harus dirancang berdasarkan torsi dan momen bending

secara simultan Dalam kondisi beban gabungan ini ada dua teori

yang dipakai untuk menghitung kegagalan elastik bahan yaitu

1 Teori tegangan geser maksimum atau Guestrsquos theory

Digunakan untuk bahan yang ulet (ductile materials) seperti

mild steel

2 Teori tegangan normal maksimum atau Rankinesrsquotheory

Digunakan untuk bahan yang rapuh (brittle materials) seperti

besi tuang

Merujuk pada teori tegangan geser maksimum maka tegangan

geser maksimum pada poros

22

)( 42

1SbmakS fff

Dimana

fb = tegangan bending akibat momen bending

fs = tegangan geser akibat torsi

29

Bila dimasukkan nilai fb dan fS maka

22

3

2

3

2

3)(

16

164

32

2

1TM

dd

T

d

Mf maks

16

223

)( TMdfatau makS

Menurut pembebanannya maka poros diklasifikasikan ke dalam

beberapa jenis sebagai berikut

a Poros trasmisi merupakan bagian mesin yang berputar biasanya

bentuk penampangnya bulat digunakan untuk memindahkan daya

melalui putaran Penerusan daya dilakukan melalui roda gigi kopling

puli sabuk sprocket rantai

b As atau gandar bentuknya seperti poros tetapi biasanya tidak

berputar tidak memindahkan torsi dan digunakan untuk menumpu

roda yang berputar pulley roda gigi dsb

c Spindle (poros mesin) adalah poros pendek yang merupakan

bagian yang menyatu dengan mesinnya

Hal-hal penting di dalam perhitungan poros

1 Tegangan dan kekuatan

2 Kekuatan

a Kekuatan statis

b Kekuatan kelelahan

c Keandalan

30

3 Defleksi dan ketegaran (rigidity)

a Defleksi bengkok

b Defleksi puntir

c Slope pada bantalan dan elemen-elemen penumpu poros

d Defleksi geser akibat beban melintang pada poros pendek

4 Keterangan-keterangan poros

Di dalam perancangan pada poros kincir angin horizontal pada

umumnya lebih menggunakanbahan poros = S 35 C

248 Roda Gigi atau Gearbox

Roda gigi berfungsi untuk mentransmisikan daya dan putaran yaitu

dari putaran tinggi ke putaran rendah ataupun dari putaran rendah ke

putaran yang lebih tinggi sehingga daya yang dihasilkan dari sudu rotor

dapat ditransmisikan ke beban yang ingin di gerakkan (Sularso Kiyokatsu

Suga Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin)

2481 Perhitungan Dalam Roda Gigi

Dalam merancang roda gigi lurus prosedur berikut dapat

diikuti

Beban tangensial gigi diperoleh dari hubungan berikut

sT CV

PW

4500

31

Dimana

WT = beban tangensial gigi yang diijinkan (kg)

P = daya yang ditransmisikan (hp)

V = kecepatan keliling (mmenit)

(mmenit) 100

NDV

D = pitch diameter (cm)

N = kecepatan putar (rpm)

Cs = service factor (tabel)

Dalam transmisi roda gigi kita mengenal adanya input dan

output juga kita mengenal adanya Efisiensi gear Apabila putaran

keluaran output lebih rendah dari masukan input maka transmisi

disebut reduksi (reduction gear) tetapi apabila keluaran lebih cepat

dari pada masukan maka disebut inkrisi ( increaser gear) Kerjasama

lebih dari dua roda gigi disebut transmisi kereta api (train gear)

Perbadingan input dan output disebut perbandingan putaran

transmisi (speed ratio) dinyatakan dalam notasi i

Speed ratio i = n1 n2 = d2 d1 = z2 z1

Apabila

i lt 1 = transmisi roda gigi inkrisi

32

i gt 1 = transmisi roda gigi reduksi

dimana

n = Kecepatan (rpm)

d = Diameter ( in)

Z = Jumlah gigi

Perbandingan Gear ( Gear Ratio) variabel yang perlu diketahui

z = Jumlah gigi

d = Diameter

n = Kecepatan (speed)

τ = Torsi

2482 Klasifikasi Roda Gigi

Adapun roda gigi diklasifikasikan menurut beberapa hal yaitu

1 Menurut letak poros

2 Menurut bentuk alur gigi

3 Menurut arah putarannya

1 Menurut Letak Poros

Pembagian roda gigi menurut letak porosnya ada tiga macam yaitu

a Roda gigi dengan poros sejajar yaitu roda gigi di mana giginya

berjajar pada dua bidang silinder kedua bidang silinder tersebut

33

bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan

sumbu tetap sejajar Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

sejajar antara lain adalah

Roda gigi lurus

Roda gigi luar

Roda gigi miring

Roda gigi dalam

Roda gigi ganda

Roda gigi pinion

b Roda gigi dengan poros berpotongan yaitu roda gigi dimana giginya

berpotongan pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut

bersinggungan Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

berpotongan antara lain adalah

Roda gigi kerucut lurus

Roda gigi kerucut miring

Roda gigi kerucut spiral

Roda gigi kerucut miring ganda

Roda gigi permukaan

Roda gigi kerucut zerol

34

Gambar 26 Roda Gigi Sejajar Berpotongan dan Menyilang

c Roda gigi dengan poros silang yaitu roda gigi yang kedua sumbunya

saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan

gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan

menggelinding Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros silang

antara lain adalah

Roda gigi cacing silindris

Roda gigi hyperboloid

Roda gigi hipoid

Roda gigi cacing samping

2 Menurut Bentuk Alur Gigi

Pembagian roda gigi menurut bentuk alur giginya dibagi menjadi tiga

macam yaitu

a Roda gigi lurus yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan

sejajar dengan poros

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 3: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

11

desain dan bahan beserta analisanya untuk membuat turbin angin yang lebih baik

dari sebelumnya

221 Definisi dan Pengelompokan Turbin Angin

Turbin angin adalah alat yang berfungsi untuk mengubah energi

kinetik angin menjadi energi gerak berupa putaran rotor dan poros generator

untuk menghasilkan energi listrik Energi gerak yang berasal dari angin

akan diteruskan menjadi gaya gerak dan torsi pada poros generator yang

kemudian dihasilkan energi listrik Turbin angin merupakan mesin

penggerak yang energi penggeraknya berasal dari angin

Berdasarkan arah sumbu geraknya turbin angin terbagi menjadi 2

yaitu turbin angin sumbu horizontal dan sumbu vertikal Sedangkan

berdasarkan prinsip gaya aerodinamik yang terjadi turbin angin dibagi

menjadi 2 yaitu jenis lift dan drag

Pengelompokan berdasarkan prinsip aerodinamik pada rotor yang

dimaksud adalah apakah turbin angin menangkap energi angin dengan

hanya memanfaatkan gaya drag dari aliran udara yang melalui rotor atau

memanfaatkan gaya lift yang dihasilkan dari aliran udara yang melalui

bentuk aerodinamis sudu Dapat dikatakan terdapat turbin angin yang

menggunakan rotor jenis drag dan turbin angin yang memanfaatkan rotor

jenis lift Dua kelompok ini memiliki perbedaan yang jelas pada kecepatan

putar rotornya Rotor turbin angin jenis drag berputar dengan kecepatan

putar rendah sehingga disebut juga turbin angin putaran rendah Rotor turbin

12

angin jenis lift pada umumnya berputar pada kecepatan putar tinggi bila

dibandingkan dengan jenis drag sehingga disebut juga sebagai turbin angin

putaran tinggi

Turbin angin digolongkan menjadi dua kelompol berdasarkan arah

sumbu geraknya yaitu turbin angin sumbu horizontal dan turbin angin

sumbu vertikal Turbin angin sumbu horizontal memiliki sumbu putar yang

sejajar dengan tanah sedangkan turbin angin sumbu vertikal memiliki

sumbu putar yang arahnya tegak lurus dengan tanah Setiap jenis turbin

memiliki perancangan kelebihan dan kekurangannya masing-masing

222 Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH)

Turbin angin sumbu horizontal mempunyai sumbu putar yang terletak

sejajar dengan permukaan tanah dan sumbu putar rotor yang searah dengan

arah angin

Komponen utama turbin angin sumbu horizontal meliputi sudu

(blade) ekor (tail) tiang penyangga (tower) dan alternator Sudu pada

turbin angin sumbu horizontal dibuat dengan material yang ringan supaya

momen inersiamya kecil sehinggamengakibatkan sudu bisa berputar pada

kecepatan angin yang rendah Misalnya material sudu yang digunakan

berasal dari bahan kayu atau serat karbon Semakin banyak jumlah sudu

semakin cepat putaran poros turbin tetapi torsinya semakin kecil Selain itu

banyaknya jumlah sudu menyebabkan turbulensi aliran udara dan tingkat

kebisingan akibat efek suara (noise) semakin besar Sebaiknya untuk turbin

13

angin dipilih sudu yang panjang sehingga torsi yang dihasilkan akan lebih

besar Ekor pada turbin berfungsi untuk menstabilkan kondisi turbin ketika

sudu mulai berputar akibat gaya angin Ekor akan membuat badan turbin

selalu bergerak sehingga sudu akan selalu searah dengan arah datangnya

angin Meskipun arah angin selalu berubah-ubah dengan bantuan ekor akan

menyebabkan sudu selalu mengarah sesuai dengan arah datangnya angin

Tower adalah tiang penyangga yang menghubungkan perangkat turbin angin

dengan permukaan tanah Tower dibuat dengan material yang sangat kuat

agar dapat menahan beban akibat gaya berat turbin angin dan gaya dari

angin Sedangkan alternator adalah sejenis generator yang dipasangkan pada

turbin angin untuk menghasilkan daya listrik akibat putaran dari poros

turbin Poros turbin dipasang menyatu dengan poros generator (satu poros)

atau bisa juga dipasang dengan sistem transmisi roda gigi (lebih dari satu

poros)

Berdasarkan letak rotor terhadap arah angin turbin angin aksial

dibedakan menjadi dua macam yaitu

1 Upwind

2 Downwind

Turbin angin jenis upwind memiliki rotor yang menhadap arah

datangnya angin sedangkan turbin angin jenis downwind memiliki rotor

yang membelakangi arah datangnya angin

14

Gambar 22 Turbin Angin Sumbu Horizontal Beserta Komponennya

(Sumber Sanfordlegendablogspotcoid 2013)

223 Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)

Turbin angin sumbu vertikal merupakan jenis turbin angin yang

pertama dibuat manusia Pada awalnya putaran rotornya hanya

memanfaatkan efek magnus yaitu karena adanya selisih gaya drag pada

kedua sisi rotor atau sudu sehingga menghasilkan momen gaya terhadap

sumbu putar rotor Salah satu contoh turbin angin sumbu vertikal jenis drag

adalah turbin angin Savonius yang mana terdiri dari dua atau tiga lembar

pelat yang dilengkungkan pada arah tangensial yang sama terhadap sumbu

putar

Turbin angin sumbu vertikal modern menerapkan bentuk yang

aerodinamis pada rotornya untuk menghasilkan momen gaya Contohnya

adalah turbin angin Darrieus Pada turbin angin Darrieus sudu dibentuk

melengkung dan berputar menyapu ruangan seperti tali yang berputar pada

sumbu vertikal Hal ini menyebabkan bentuk geometri sudunya rumit dan

15

sulit untuk dibuat Rotor turbin angin Darrieus pada umumya terdiri dari dua

atau tiga sudu Variasi dari turbin angin Darrieus adalah yang disebut

dengan turbin angin H (tipe H) tersusun dari dua atau tiga sudu lurus yang

dihubungkan dengan struktur rangka ke poros

Keuntungan dari konsep turbin angin sumbu vertikal adalah sederhana

dalam perancangannya diantaranya adalah memungkinkan menempatkan

komponen mekanik dan komponen elektronik transmisi roda gigi dan

generator dekat dengan permukaan tanah Rotor turbin angin sumbu vertikal

berputar tanpa dipengaruhi arah angin sehingga tidak membutuhkan

mekanisme pengatur arah (seperti ekor) yang ada pada turbin angin sumbu

horizontal

Gambar 23 Turbin Angin Sumbu Vertikal

(Sumber httpwwwpinterestcom)

16

Pada penerapannya turbin angin Savonius digunakan pada keperluan

kecil dan sederhana seperti untuk memutar pompa air Turbin angin

Savonius tidak sesuai digunakan untuk pembangkit listrik dikarenakan top

speed ratio dan faktor daya yang relatif rendah Dengan rancangan

aerodinamik yang optimal turbin angin savonius akan mencapai faktor daya

yang terbesar 025 Turbin angin Darrieus dapat digunakan untuk

pembangkit listrik karena memiliki putaran yang lebih tinggi dan faktor

daya yang lebih besar dibandingkan turbin angin Savonius

23 Potensi Angin di Indonesia

Potensi energi angin di Indonesia umumnya berkecepatan lebih dari 5 meter

per detik (ms) Hasil pemetaan Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional

(Lapan) pada 120 lokasi menunjukkan beberapa wilayah memiliki kecepatan

angin di atas 5 mdetik masing-masing Nusa Tenggara Timur Nusa Tenggara

Barat Sulawesi Selatan dan Pantai Selatan Jawa

Adapun kecepatan angin 4 ms hingga 5 ms tergolong berskala menengah

dengan potensi kapasitas 10-100 kW

Gambar 24 Peta Potensi Energi Angin di Indonesia

(sumber httpwwwhijaukucom)

17

Wilayah Indonesia yang berada di sekitar daerah ekuator merupakan daerah

pertemuan sirkulasi Hadley Walker dan lokal Kondisi ini ditengarai memiliki

potensi angin yang dapat dimanfaatkan untuk pengembangan energi terbarukan

sebagai alternatif pembangkit listrik yang selama ini lebih banyak menggunakan

bahan bakar minyak bumi Wilayah Sulawesi dan Maluku terletak di kawasan

Indonesia Timur yang terdiri dari ratusan pulau kecil yang sebagian besar

berpenduduk Seiring perkembangan zaman kebutuhan listrik di daerah tersebut

semakin meningkat untuk memenuhi kebutuhan listrik tersebut di bangun

pembangkit listrik tenaga diesel yang sangat bergantung pada bahan bakar fosil

dan berpotensi menimbulkan polusi terhadap lingkungan

Indonesia negara kepulauan yang 23 wilayahnya adalah lautan dan

mempunyai garis pantai terpanjang di dunia yaitu plusmn 8079142 Km merupakan

wilayah potensial untuk pengembangan pembanglit listrik tenaga angin

Pembangkit Listrik Tenaga Angin (Wind Power) adalah pembangkit yang

memanfaatkan hembusan angin sebagai sumber penghasil listrik Alat utamanya

adalah generator dengan generator tersebut maka dapat dihasilkan arus listrik dari

gerakan bladebaling-baling yang bergerak karena hembusan angin Pembangkit

ini (PLTB) lebih effisien dari pada pembangkit listrik tenaga surya didalam

menghasilkan listrik Pembangkit listrik telah ada dipasaran memiliki kapasitas

Watt per jam 200 400 500 1000 2000 dan 3000 Watt

Umumnya suatu pembangkit listrik tenaga anginbayu (PLTB) terdiri dari

beberapa komponen utama yaitu a) kincir angin b) gear box c) brake system d)

generator dan e) alat penyimpan energi

18

24 Dasar Perancangan Turbin Angin

241 Daya

Angin adalah udara yang bergerak Karena udara mempunyai massa

maka energi yang ditimbulkannya dapat dihitung berdasarkan energi kinetik

yang dirumuskan sebagai berikut

Energi Kinetik Ek = 05 x m x Vsup2 helliphellip(Eric Hau 2005 82)

dimana

m = massa (kg) (1 kg = 22 pounds)

V = kecepatan angin (mdetik) (meter = 3281 feet = 3937 inches)

Maka persamaan energi kinetik diatas menjadi persamaan aliran

Tenaga pada permukaan kincir adalah

P = 05 x ρ x A x Vsup3 helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 84)

dimana

P = tenaga dalam watts (746 watts = 1 hp) (1000 watts = 1 kilowatt)

ρ = massa jenis udara (1225 kgmsup3 pada permukaan laut)

A = permukaan kincir (msup2)

V = kecepatan angin dalam meterdetik (20 mph = 9 mdetik)

(mph224 = mdetik)

Persamaan ini merupakan tenaga dari aliran udara secara bebas Tidak

semua tenaga ini dapat diambil karena ada aliran udara yang lewat melalui

kincir (hanya dinding tegak lurus arah angin yang dapat mengambil 100

19

energi aliran angin) Sehingga kita harus menurunkan persamaan baru yang

lebih praktis untuk kincir angin

Tenaga Kincir Angin

P = 05 x ρ x A x Cp x Vsup3 x Ng x Nb helliphelliphelliphelliphelliphellip

(Eric Hau 2005 82)

dimana

P = tenaga dalam watts (746 watts = 1 hp) (1000 watts = 1 kilowatt)

ρ = massa jenis udara (1225 kgmsup3 pada permukaan laut)

A = permukaan kincir (msup2)

Cp = Koefisien kinerja (maksimum teoritis = 059 [Betz limit] Desain

= 035)

V = kecepatan angin dalam mdetik (20 mph = 9 mdetik)

Ng = efisiensi generator (50 altenator mobil 80 atau lebih utk

permanent magnet generator)

Nb = efisiensi gearboxbearing (jika bagus dapat mencapai 95)

20

242 Power Coefficient dan Tip Ratio

2421 Power Coefficient

Merupakan perbandingan antara daya yang dihasilkan secara

mekanik pada sudu akibat gaya angin terhadap daya yang dihasilkan

oleh gaya lift pada aliran udara Secara matematis hubungan ini dapat

dituliskan

= =

= =

(Erich Hau 2013 559)

dimana

= Koefisien daya

P = Daya mekanik dihasilkan rotor (watt)

= Daya mekanik total yang terkandung dalam angina yang

melalui sudu

ρ = Massa jenis udara (kg )

A = Luas penampang bidang sudu ( )

= Kecepatan aliran udara sebelum melewati sudu rotor (ms)

= Kecepatan aliran udara setelah melewati sudu rotor (ms)

21

Gambar 25 Kecepatan Udara Masuk dan Keluar Turbin

(Sumber httpeprintsundipacid)

Energi yang terkandung pada spin (putaran sudu) akan

mengurangi proporsi penggunaan energi total yang terkandung pada

aliran Secara teori momentum power coefficient dari turbin harus

lebih kecil daripada harga yang ditentukan oleh Belzrsquos (sekitar 0593)

akibat terjadinya losses pada mekanisme gerak turbin angin Power

coefficient bergantung pada rasio antara komponen energi gerak putar

sudu dan gerak rotasi pada aliran udara Rasio ini didefinisikan

sebagai kecepatan tangensial sudu rotor terhadap kecepatan aksial atau

kecepatan angina dan didefinisikan sebagai tip speed ratio () yang

secara umum direkomendasikan pada kecepatan tangensial dari ujung

sudu

2422 Tip Speed Ratio

Tip speed ratio (rasio kecepatan ujung) adalah rasio ujung rotor

terhadap kecepatan angin bebas Untuk kecepatan angin nominal yang

tertentu tip speed ratio akan berpengaruh pada kecepatan rotorTurbin

angin tip lift akan memiliki speed ratio yang lebih besar dibandingkan

22

dengan turbin tipe drag Besarnya tip speed ratio dapat dihitung

dengan persamaan

= helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 84)

dimana

= Tip Speed ratio

D = Diameter rotor (m)

n = Putaran rotor

v = Kecepatan angin (ms)

243 Gaya Horizontal Akibat Kecepatan Angin (kg)

Untuk menghitung energi maksimal angin yaitu dengan rumus sebagai

berikut

P = p A helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 82)

dimana

P = Daya angin (Watt)

ρ = kerapatan udara (kg )

A = Luas penampang blade (msup2)

V = kecepatan angin (ms)

23

Dalam hal ini dibutuhkan gaya drag lift di kali capture area

untuk mengetahui gaya angin yang sesungguhnya maka dapat

dihitung dengan rumus sebagai berikut

= A x Df helliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 86)

dimana

A = Luas Blade ( )

Df = Gaya drag (kg )

Gaya Df adalah gaya yang bekerja menabrak sudu turbin secara

horizontal yang dapat dihitung dengan rumus

Df = P sin szlig (kg )

244 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu

Jumlah sudu dapat ditetapkan berdasarkan harga satuan TSR

sebagaimana tabel berikut ini

Tabel 21 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu Berdasarkan TSR

λ 1 2 3 4 5-8 8-15

B 6-20 4-12 3-6 2-4 2-3 1-2

24

245 Geometri Bilah Sudu

Untuk memudahkan perhitungan jari-jari sudu dibagi menjadi 10

bagian dan diperoleh jari-jari lokal masing-masing bagian dari pusat rotor

adalah sebagai berikut

Tabel 22 Harga Radius Lokal Blade

r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10

02 04 06 08 100 120 140 160 180 200

Untuk menghitung rasio kecepatan lokal digunakan rumus dari

Djoyodihardjo (1983) sebagai berikut

λr1 = λ0

dimana

λr1 = Rasio kecepatan lokal

r = Jari-jari lokal dari pusat rotor (m)

λ0 = Rasio kecepatan ujung

R = Radius baling-baling (m)

25

246 Desain Ekor Pengarah (Tail)

Luas daun ekor pengarah dapat dihitung dengan menggunakan rumus

A 0 = 016 Ar

Dimana

A 0 = Luas daerah ekor pengarah (m2)

Ar = Luas sapuan rotor (m2)

IR = Jarak rotor ke sumbu vertikal menara (m)

IV = Jarak pusat daun ekor ke sumbu vertikal menara (m)

Ar =

247 Perencanaan Poros

Poros perlu dirancang berdasarkan pada

1 Kekuatan (strength)

2 Kekakuan (rigidity)

2471 Poros dengan beban torsi saja

Bila poros mendapat beban momen puntir atau torsi maka

diameter poros bisa diperoleh dengan menggunakan persamaan torsi

r

f

J

T S

Dimana

T = torsi yang bekerja pada poros (kg-cm)

J = momen inersia polar dari luas penampang (cm4)

fs = tegangan geser akibat torsi (kgcm2)

r = jarak dari sumbu netral ke bagian terluar (cm)

26

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

32

4dJ

Sehingga momen puntir pada poros adalah

3 16

dfT S

Untuk poros berongga

) -(32

44

0 iddJ

Dimana

d0 = diameter luar

di = diameter dalam

Dengan mensubstitusikan did0 = k maka didapat

0

i43

0sd

dk )k-(1 d f

16

T

Daya yang ditransmisikan oleh poros dapat diperoleh dari

60

NT2P

Dimana

P = daya (wat)

T = torsi (N-m)

N = kecepatan (rpm)

27

Dalam transmisi belt torsi diberikan dengan persamaan berikut

R)T - ( 21TT

Dimana

T1 = tarikan pada sisi kencang

T2 = tarikan pada sisi kendor

R = radius puli

2472 Poros dengan beban momen bending saja

Bila poros mendapat beban momen bending maka tegangan

maksimum (tarik atau tekan) diberikan oleh persamaan bending

y

f

M b

Dimana

M = momen bending (kg-cm)

I = momen inersia luas penampang terhadap sumbu

putar (cm4)

fb = tegangan bending (kgcm2)

y = jari-jari poros (cm)

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

2

d y dan d

64

4

I

Setelah disubstitusikan didapat

3

b d f 32

M

28

Untuk poros berongga

2

d y )k-1(

64)-(

64

0

0

44

0

44

0 d

dkdddI i

i

Bila (I) dan (y) dimasukkan ke persamaan maka diperoleh

)k-1(d f 32

43

0b

M

2473 Poros dengan kombinasi torsi dan bending

Jika poros mendapat beban gabungan torsi dan momen bending

maka poros harus dirancang berdasarkan torsi dan momen bending

secara simultan Dalam kondisi beban gabungan ini ada dua teori

yang dipakai untuk menghitung kegagalan elastik bahan yaitu

1 Teori tegangan geser maksimum atau Guestrsquos theory

Digunakan untuk bahan yang ulet (ductile materials) seperti

mild steel

2 Teori tegangan normal maksimum atau Rankinesrsquotheory

Digunakan untuk bahan yang rapuh (brittle materials) seperti

besi tuang

Merujuk pada teori tegangan geser maksimum maka tegangan

geser maksimum pada poros

22

)( 42

1SbmakS fff

Dimana

fb = tegangan bending akibat momen bending

fs = tegangan geser akibat torsi

29

Bila dimasukkan nilai fb dan fS maka

22

3

2

3

2

3)(

16

164

32

2

1TM

dd

T

d

Mf maks

16

223

)( TMdfatau makS

Menurut pembebanannya maka poros diklasifikasikan ke dalam

beberapa jenis sebagai berikut

a Poros trasmisi merupakan bagian mesin yang berputar biasanya

bentuk penampangnya bulat digunakan untuk memindahkan daya

melalui putaran Penerusan daya dilakukan melalui roda gigi kopling

puli sabuk sprocket rantai

b As atau gandar bentuknya seperti poros tetapi biasanya tidak

berputar tidak memindahkan torsi dan digunakan untuk menumpu

roda yang berputar pulley roda gigi dsb

c Spindle (poros mesin) adalah poros pendek yang merupakan

bagian yang menyatu dengan mesinnya

Hal-hal penting di dalam perhitungan poros

1 Tegangan dan kekuatan

2 Kekuatan

a Kekuatan statis

b Kekuatan kelelahan

c Keandalan

30

3 Defleksi dan ketegaran (rigidity)

a Defleksi bengkok

b Defleksi puntir

c Slope pada bantalan dan elemen-elemen penumpu poros

d Defleksi geser akibat beban melintang pada poros pendek

4 Keterangan-keterangan poros

Di dalam perancangan pada poros kincir angin horizontal pada

umumnya lebih menggunakanbahan poros = S 35 C

248 Roda Gigi atau Gearbox

Roda gigi berfungsi untuk mentransmisikan daya dan putaran yaitu

dari putaran tinggi ke putaran rendah ataupun dari putaran rendah ke

putaran yang lebih tinggi sehingga daya yang dihasilkan dari sudu rotor

dapat ditransmisikan ke beban yang ingin di gerakkan (Sularso Kiyokatsu

Suga Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin)

2481 Perhitungan Dalam Roda Gigi

Dalam merancang roda gigi lurus prosedur berikut dapat

diikuti

Beban tangensial gigi diperoleh dari hubungan berikut

sT CV

PW

4500

31

Dimana

WT = beban tangensial gigi yang diijinkan (kg)

P = daya yang ditransmisikan (hp)

V = kecepatan keliling (mmenit)

(mmenit) 100

NDV

D = pitch diameter (cm)

N = kecepatan putar (rpm)

Cs = service factor (tabel)

Dalam transmisi roda gigi kita mengenal adanya input dan

output juga kita mengenal adanya Efisiensi gear Apabila putaran

keluaran output lebih rendah dari masukan input maka transmisi

disebut reduksi (reduction gear) tetapi apabila keluaran lebih cepat

dari pada masukan maka disebut inkrisi ( increaser gear) Kerjasama

lebih dari dua roda gigi disebut transmisi kereta api (train gear)

Perbadingan input dan output disebut perbandingan putaran

transmisi (speed ratio) dinyatakan dalam notasi i

Speed ratio i = n1 n2 = d2 d1 = z2 z1

Apabila

i lt 1 = transmisi roda gigi inkrisi

32

i gt 1 = transmisi roda gigi reduksi

dimana

n = Kecepatan (rpm)

d = Diameter ( in)

Z = Jumlah gigi

Perbandingan Gear ( Gear Ratio) variabel yang perlu diketahui

z = Jumlah gigi

d = Diameter

n = Kecepatan (speed)

τ = Torsi

2482 Klasifikasi Roda Gigi

Adapun roda gigi diklasifikasikan menurut beberapa hal yaitu

1 Menurut letak poros

2 Menurut bentuk alur gigi

3 Menurut arah putarannya

1 Menurut Letak Poros

Pembagian roda gigi menurut letak porosnya ada tiga macam yaitu

a Roda gigi dengan poros sejajar yaitu roda gigi di mana giginya

berjajar pada dua bidang silinder kedua bidang silinder tersebut

33

bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan

sumbu tetap sejajar Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

sejajar antara lain adalah

Roda gigi lurus

Roda gigi luar

Roda gigi miring

Roda gigi dalam

Roda gigi ganda

Roda gigi pinion

b Roda gigi dengan poros berpotongan yaitu roda gigi dimana giginya

berpotongan pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut

bersinggungan Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

berpotongan antara lain adalah

Roda gigi kerucut lurus

Roda gigi kerucut miring

Roda gigi kerucut spiral

Roda gigi kerucut miring ganda

Roda gigi permukaan

Roda gigi kerucut zerol

34

Gambar 26 Roda Gigi Sejajar Berpotongan dan Menyilang

c Roda gigi dengan poros silang yaitu roda gigi yang kedua sumbunya

saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan

gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan

menggelinding Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros silang

antara lain adalah

Roda gigi cacing silindris

Roda gigi hyperboloid

Roda gigi hipoid

Roda gigi cacing samping

2 Menurut Bentuk Alur Gigi

Pembagian roda gigi menurut bentuk alur giginya dibagi menjadi tiga

macam yaitu

a Roda gigi lurus yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan

sejajar dengan poros

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 4: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

12

angin jenis lift pada umumnya berputar pada kecepatan putar tinggi bila

dibandingkan dengan jenis drag sehingga disebut juga sebagai turbin angin

putaran tinggi

Turbin angin digolongkan menjadi dua kelompol berdasarkan arah

sumbu geraknya yaitu turbin angin sumbu horizontal dan turbin angin

sumbu vertikal Turbin angin sumbu horizontal memiliki sumbu putar yang

sejajar dengan tanah sedangkan turbin angin sumbu vertikal memiliki

sumbu putar yang arahnya tegak lurus dengan tanah Setiap jenis turbin

memiliki perancangan kelebihan dan kekurangannya masing-masing

222 Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH)

Turbin angin sumbu horizontal mempunyai sumbu putar yang terletak

sejajar dengan permukaan tanah dan sumbu putar rotor yang searah dengan

arah angin

Komponen utama turbin angin sumbu horizontal meliputi sudu

(blade) ekor (tail) tiang penyangga (tower) dan alternator Sudu pada

turbin angin sumbu horizontal dibuat dengan material yang ringan supaya

momen inersiamya kecil sehinggamengakibatkan sudu bisa berputar pada

kecepatan angin yang rendah Misalnya material sudu yang digunakan

berasal dari bahan kayu atau serat karbon Semakin banyak jumlah sudu

semakin cepat putaran poros turbin tetapi torsinya semakin kecil Selain itu

banyaknya jumlah sudu menyebabkan turbulensi aliran udara dan tingkat

kebisingan akibat efek suara (noise) semakin besar Sebaiknya untuk turbin

13

angin dipilih sudu yang panjang sehingga torsi yang dihasilkan akan lebih

besar Ekor pada turbin berfungsi untuk menstabilkan kondisi turbin ketika

sudu mulai berputar akibat gaya angin Ekor akan membuat badan turbin

selalu bergerak sehingga sudu akan selalu searah dengan arah datangnya

angin Meskipun arah angin selalu berubah-ubah dengan bantuan ekor akan

menyebabkan sudu selalu mengarah sesuai dengan arah datangnya angin

Tower adalah tiang penyangga yang menghubungkan perangkat turbin angin

dengan permukaan tanah Tower dibuat dengan material yang sangat kuat

agar dapat menahan beban akibat gaya berat turbin angin dan gaya dari

angin Sedangkan alternator adalah sejenis generator yang dipasangkan pada

turbin angin untuk menghasilkan daya listrik akibat putaran dari poros

turbin Poros turbin dipasang menyatu dengan poros generator (satu poros)

atau bisa juga dipasang dengan sistem transmisi roda gigi (lebih dari satu

poros)

Berdasarkan letak rotor terhadap arah angin turbin angin aksial

dibedakan menjadi dua macam yaitu

1 Upwind

2 Downwind

Turbin angin jenis upwind memiliki rotor yang menhadap arah

datangnya angin sedangkan turbin angin jenis downwind memiliki rotor

yang membelakangi arah datangnya angin

14

Gambar 22 Turbin Angin Sumbu Horizontal Beserta Komponennya

(Sumber Sanfordlegendablogspotcoid 2013)

223 Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)

Turbin angin sumbu vertikal merupakan jenis turbin angin yang

pertama dibuat manusia Pada awalnya putaran rotornya hanya

memanfaatkan efek magnus yaitu karena adanya selisih gaya drag pada

kedua sisi rotor atau sudu sehingga menghasilkan momen gaya terhadap

sumbu putar rotor Salah satu contoh turbin angin sumbu vertikal jenis drag

adalah turbin angin Savonius yang mana terdiri dari dua atau tiga lembar

pelat yang dilengkungkan pada arah tangensial yang sama terhadap sumbu

putar

Turbin angin sumbu vertikal modern menerapkan bentuk yang

aerodinamis pada rotornya untuk menghasilkan momen gaya Contohnya

adalah turbin angin Darrieus Pada turbin angin Darrieus sudu dibentuk

melengkung dan berputar menyapu ruangan seperti tali yang berputar pada

sumbu vertikal Hal ini menyebabkan bentuk geometri sudunya rumit dan

15

sulit untuk dibuat Rotor turbin angin Darrieus pada umumya terdiri dari dua

atau tiga sudu Variasi dari turbin angin Darrieus adalah yang disebut

dengan turbin angin H (tipe H) tersusun dari dua atau tiga sudu lurus yang

dihubungkan dengan struktur rangka ke poros

Keuntungan dari konsep turbin angin sumbu vertikal adalah sederhana

dalam perancangannya diantaranya adalah memungkinkan menempatkan

komponen mekanik dan komponen elektronik transmisi roda gigi dan

generator dekat dengan permukaan tanah Rotor turbin angin sumbu vertikal

berputar tanpa dipengaruhi arah angin sehingga tidak membutuhkan

mekanisme pengatur arah (seperti ekor) yang ada pada turbin angin sumbu

horizontal

Gambar 23 Turbin Angin Sumbu Vertikal

(Sumber httpwwwpinterestcom)

16

Pada penerapannya turbin angin Savonius digunakan pada keperluan

kecil dan sederhana seperti untuk memutar pompa air Turbin angin

Savonius tidak sesuai digunakan untuk pembangkit listrik dikarenakan top

speed ratio dan faktor daya yang relatif rendah Dengan rancangan

aerodinamik yang optimal turbin angin savonius akan mencapai faktor daya

yang terbesar 025 Turbin angin Darrieus dapat digunakan untuk

pembangkit listrik karena memiliki putaran yang lebih tinggi dan faktor

daya yang lebih besar dibandingkan turbin angin Savonius

23 Potensi Angin di Indonesia

Potensi energi angin di Indonesia umumnya berkecepatan lebih dari 5 meter

per detik (ms) Hasil pemetaan Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional

(Lapan) pada 120 lokasi menunjukkan beberapa wilayah memiliki kecepatan

angin di atas 5 mdetik masing-masing Nusa Tenggara Timur Nusa Tenggara

Barat Sulawesi Selatan dan Pantai Selatan Jawa

Adapun kecepatan angin 4 ms hingga 5 ms tergolong berskala menengah

dengan potensi kapasitas 10-100 kW

Gambar 24 Peta Potensi Energi Angin di Indonesia

(sumber httpwwwhijaukucom)

17

Wilayah Indonesia yang berada di sekitar daerah ekuator merupakan daerah

pertemuan sirkulasi Hadley Walker dan lokal Kondisi ini ditengarai memiliki

potensi angin yang dapat dimanfaatkan untuk pengembangan energi terbarukan

sebagai alternatif pembangkit listrik yang selama ini lebih banyak menggunakan

bahan bakar minyak bumi Wilayah Sulawesi dan Maluku terletak di kawasan

Indonesia Timur yang terdiri dari ratusan pulau kecil yang sebagian besar

berpenduduk Seiring perkembangan zaman kebutuhan listrik di daerah tersebut

semakin meningkat untuk memenuhi kebutuhan listrik tersebut di bangun

pembangkit listrik tenaga diesel yang sangat bergantung pada bahan bakar fosil

dan berpotensi menimbulkan polusi terhadap lingkungan

Indonesia negara kepulauan yang 23 wilayahnya adalah lautan dan

mempunyai garis pantai terpanjang di dunia yaitu plusmn 8079142 Km merupakan

wilayah potensial untuk pengembangan pembanglit listrik tenaga angin

Pembangkit Listrik Tenaga Angin (Wind Power) adalah pembangkit yang

memanfaatkan hembusan angin sebagai sumber penghasil listrik Alat utamanya

adalah generator dengan generator tersebut maka dapat dihasilkan arus listrik dari

gerakan bladebaling-baling yang bergerak karena hembusan angin Pembangkit

ini (PLTB) lebih effisien dari pada pembangkit listrik tenaga surya didalam

menghasilkan listrik Pembangkit listrik telah ada dipasaran memiliki kapasitas

Watt per jam 200 400 500 1000 2000 dan 3000 Watt

Umumnya suatu pembangkit listrik tenaga anginbayu (PLTB) terdiri dari

beberapa komponen utama yaitu a) kincir angin b) gear box c) brake system d)

generator dan e) alat penyimpan energi

18

24 Dasar Perancangan Turbin Angin

241 Daya

Angin adalah udara yang bergerak Karena udara mempunyai massa

maka energi yang ditimbulkannya dapat dihitung berdasarkan energi kinetik

yang dirumuskan sebagai berikut

Energi Kinetik Ek = 05 x m x Vsup2 helliphellip(Eric Hau 2005 82)

dimana

m = massa (kg) (1 kg = 22 pounds)

V = kecepatan angin (mdetik) (meter = 3281 feet = 3937 inches)

Maka persamaan energi kinetik diatas menjadi persamaan aliran

Tenaga pada permukaan kincir adalah

P = 05 x ρ x A x Vsup3 helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 84)

dimana

P = tenaga dalam watts (746 watts = 1 hp) (1000 watts = 1 kilowatt)

ρ = massa jenis udara (1225 kgmsup3 pada permukaan laut)

A = permukaan kincir (msup2)

V = kecepatan angin dalam meterdetik (20 mph = 9 mdetik)

(mph224 = mdetik)

Persamaan ini merupakan tenaga dari aliran udara secara bebas Tidak

semua tenaga ini dapat diambil karena ada aliran udara yang lewat melalui

kincir (hanya dinding tegak lurus arah angin yang dapat mengambil 100

19

energi aliran angin) Sehingga kita harus menurunkan persamaan baru yang

lebih praktis untuk kincir angin

Tenaga Kincir Angin

P = 05 x ρ x A x Cp x Vsup3 x Ng x Nb helliphelliphelliphelliphelliphellip

(Eric Hau 2005 82)

dimana

P = tenaga dalam watts (746 watts = 1 hp) (1000 watts = 1 kilowatt)

ρ = massa jenis udara (1225 kgmsup3 pada permukaan laut)

A = permukaan kincir (msup2)

Cp = Koefisien kinerja (maksimum teoritis = 059 [Betz limit] Desain

= 035)

V = kecepatan angin dalam mdetik (20 mph = 9 mdetik)

Ng = efisiensi generator (50 altenator mobil 80 atau lebih utk

permanent magnet generator)

Nb = efisiensi gearboxbearing (jika bagus dapat mencapai 95)

20

242 Power Coefficient dan Tip Ratio

2421 Power Coefficient

Merupakan perbandingan antara daya yang dihasilkan secara

mekanik pada sudu akibat gaya angin terhadap daya yang dihasilkan

oleh gaya lift pada aliran udara Secara matematis hubungan ini dapat

dituliskan

= =

= =

(Erich Hau 2013 559)

dimana

= Koefisien daya

P = Daya mekanik dihasilkan rotor (watt)

= Daya mekanik total yang terkandung dalam angina yang

melalui sudu

ρ = Massa jenis udara (kg )

A = Luas penampang bidang sudu ( )

= Kecepatan aliran udara sebelum melewati sudu rotor (ms)

= Kecepatan aliran udara setelah melewati sudu rotor (ms)

21

Gambar 25 Kecepatan Udara Masuk dan Keluar Turbin

(Sumber httpeprintsundipacid)

Energi yang terkandung pada spin (putaran sudu) akan

mengurangi proporsi penggunaan energi total yang terkandung pada

aliran Secara teori momentum power coefficient dari turbin harus

lebih kecil daripada harga yang ditentukan oleh Belzrsquos (sekitar 0593)

akibat terjadinya losses pada mekanisme gerak turbin angin Power

coefficient bergantung pada rasio antara komponen energi gerak putar

sudu dan gerak rotasi pada aliran udara Rasio ini didefinisikan

sebagai kecepatan tangensial sudu rotor terhadap kecepatan aksial atau

kecepatan angina dan didefinisikan sebagai tip speed ratio () yang

secara umum direkomendasikan pada kecepatan tangensial dari ujung

sudu

2422 Tip Speed Ratio

Tip speed ratio (rasio kecepatan ujung) adalah rasio ujung rotor

terhadap kecepatan angin bebas Untuk kecepatan angin nominal yang

tertentu tip speed ratio akan berpengaruh pada kecepatan rotorTurbin

angin tip lift akan memiliki speed ratio yang lebih besar dibandingkan

22

dengan turbin tipe drag Besarnya tip speed ratio dapat dihitung

dengan persamaan

= helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 84)

dimana

= Tip Speed ratio

D = Diameter rotor (m)

n = Putaran rotor

v = Kecepatan angin (ms)

243 Gaya Horizontal Akibat Kecepatan Angin (kg)

Untuk menghitung energi maksimal angin yaitu dengan rumus sebagai

berikut

P = p A helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 82)

dimana

P = Daya angin (Watt)

ρ = kerapatan udara (kg )

A = Luas penampang blade (msup2)

V = kecepatan angin (ms)

23

Dalam hal ini dibutuhkan gaya drag lift di kali capture area

untuk mengetahui gaya angin yang sesungguhnya maka dapat

dihitung dengan rumus sebagai berikut

= A x Df helliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 86)

dimana

A = Luas Blade ( )

Df = Gaya drag (kg )

Gaya Df adalah gaya yang bekerja menabrak sudu turbin secara

horizontal yang dapat dihitung dengan rumus

Df = P sin szlig (kg )

244 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu

Jumlah sudu dapat ditetapkan berdasarkan harga satuan TSR

sebagaimana tabel berikut ini

Tabel 21 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu Berdasarkan TSR

λ 1 2 3 4 5-8 8-15

B 6-20 4-12 3-6 2-4 2-3 1-2

24

245 Geometri Bilah Sudu

Untuk memudahkan perhitungan jari-jari sudu dibagi menjadi 10

bagian dan diperoleh jari-jari lokal masing-masing bagian dari pusat rotor

adalah sebagai berikut

Tabel 22 Harga Radius Lokal Blade

r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10

02 04 06 08 100 120 140 160 180 200

Untuk menghitung rasio kecepatan lokal digunakan rumus dari

Djoyodihardjo (1983) sebagai berikut

λr1 = λ0

dimana

λr1 = Rasio kecepatan lokal

r = Jari-jari lokal dari pusat rotor (m)

λ0 = Rasio kecepatan ujung

R = Radius baling-baling (m)

25

246 Desain Ekor Pengarah (Tail)

Luas daun ekor pengarah dapat dihitung dengan menggunakan rumus

A 0 = 016 Ar

Dimana

A 0 = Luas daerah ekor pengarah (m2)

Ar = Luas sapuan rotor (m2)

IR = Jarak rotor ke sumbu vertikal menara (m)

IV = Jarak pusat daun ekor ke sumbu vertikal menara (m)

Ar =

247 Perencanaan Poros

Poros perlu dirancang berdasarkan pada

1 Kekuatan (strength)

2 Kekakuan (rigidity)

2471 Poros dengan beban torsi saja

Bila poros mendapat beban momen puntir atau torsi maka

diameter poros bisa diperoleh dengan menggunakan persamaan torsi

r

f

J

T S

Dimana

T = torsi yang bekerja pada poros (kg-cm)

J = momen inersia polar dari luas penampang (cm4)

fs = tegangan geser akibat torsi (kgcm2)

r = jarak dari sumbu netral ke bagian terluar (cm)

26

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

32

4dJ

Sehingga momen puntir pada poros adalah

3 16

dfT S

Untuk poros berongga

) -(32

44

0 iddJ

Dimana

d0 = diameter luar

di = diameter dalam

Dengan mensubstitusikan did0 = k maka didapat

0

i43

0sd

dk )k-(1 d f

16

T

Daya yang ditransmisikan oleh poros dapat diperoleh dari

60

NT2P

Dimana

P = daya (wat)

T = torsi (N-m)

N = kecepatan (rpm)

27

Dalam transmisi belt torsi diberikan dengan persamaan berikut

R)T - ( 21TT

Dimana

T1 = tarikan pada sisi kencang

T2 = tarikan pada sisi kendor

R = radius puli

2472 Poros dengan beban momen bending saja

Bila poros mendapat beban momen bending maka tegangan

maksimum (tarik atau tekan) diberikan oleh persamaan bending

y

f

M b

Dimana

M = momen bending (kg-cm)

I = momen inersia luas penampang terhadap sumbu

putar (cm4)

fb = tegangan bending (kgcm2)

y = jari-jari poros (cm)

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

2

d y dan d

64

4

I

Setelah disubstitusikan didapat

3

b d f 32

M

28

Untuk poros berongga

2

d y )k-1(

64)-(

64

0

0

44

0

44

0 d

dkdddI i

i

Bila (I) dan (y) dimasukkan ke persamaan maka diperoleh

)k-1(d f 32

43

0b

M

2473 Poros dengan kombinasi torsi dan bending

Jika poros mendapat beban gabungan torsi dan momen bending

maka poros harus dirancang berdasarkan torsi dan momen bending

secara simultan Dalam kondisi beban gabungan ini ada dua teori

yang dipakai untuk menghitung kegagalan elastik bahan yaitu

1 Teori tegangan geser maksimum atau Guestrsquos theory

Digunakan untuk bahan yang ulet (ductile materials) seperti

mild steel

2 Teori tegangan normal maksimum atau Rankinesrsquotheory

Digunakan untuk bahan yang rapuh (brittle materials) seperti

besi tuang

Merujuk pada teori tegangan geser maksimum maka tegangan

geser maksimum pada poros

22

)( 42

1SbmakS fff

Dimana

fb = tegangan bending akibat momen bending

fs = tegangan geser akibat torsi

29

Bila dimasukkan nilai fb dan fS maka

22

3

2

3

2

3)(

16

164

32

2

1TM

dd

T

d

Mf maks

16

223

)( TMdfatau makS

Menurut pembebanannya maka poros diklasifikasikan ke dalam

beberapa jenis sebagai berikut

a Poros trasmisi merupakan bagian mesin yang berputar biasanya

bentuk penampangnya bulat digunakan untuk memindahkan daya

melalui putaran Penerusan daya dilakukan melalui roda gigi kopling

puli sabuk sprocket rantai

b As atau gandar bentuknya seperti poros tetapi biasanya tidak

berputar tidak memindahkan torsi dan digunakan untuk menumpu

roda yang berputar pulley roda gigi dsb

c Spindle (poros mesin) adalah poros pendek yang merupakan

bagian yang menyatu dengan mesinnya

Hal-hal penting di dalam perhitungan poros

1 Tegangan dan kekuatan

2 Kekuatan

a Kekuatan statis

b Kekuatan kelelahan

c Keandalan

30

3 Defleksi dan ketegaran (rigidity)

a Defleksi bengkok

b Defleksi puntir

c Slope pada bantalan dan elemen-elemen penumpu poros

d Defleksi geser akibat beban melintang pada poros pendek

4 Keterangan-keterangan poros

Di dalam perancangan pada poros kincir angin horizontal pada

umumnya lebih menggunakanbahan poros = S 35 C

248 Roda Gigi atau Gearbox

Roda gigi berfungsi untuk mentransmisikan daya dan putaran yaitu

dari putaran tinggi ke putaran rendah ataupun dari putaran rendah ke

putaran yang lebih tinggi sehingga daya yang dihasilkan dari sudu rotor

dapat ditransmisikan ke beban yang ingin di gerakkan (Sularso Kiyokatsu

Suga Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin)

2481 Perhitungan Dalam Roda Gigi

Dalam merancang roda gigi lurus prosedur berikut dapat

diikuti

Beban tangensial gigi diperoleh dari hubungan berikut

sT CV

PW

4500

31

Dimana

WT = beban tangensial gigi yang diijinkan (kg)

P = daya yang ditransmisikan (hp)

V = kecepatan keliling (mmenit)

(mmenit) 100

NDV

D = pitch diameter (cm)

N = kecepatan putar (rpm)

Cs = service factor (tabel)

Dalam transmisi roda gigi kita mengenal adanya input dan

output juga kita mengenal adanya Efisiensi gear Apabila putaran

keluaran output lebih rendah dari masukan input maka transmisi

disebut reduksi (reduction gear) tetapi apabila keluaran lebih cepat

dari pada masukan maka disebut inkrisi ( increaser gear) Kerjasama

lebih dari dua roda gigi disebut transmisi kereta api (train gear)

Perbadingan input dan output disebut perbandingan putaran

transmisi (speed ratio) dinyatakan dalam notasi i

Speed ratio i = n1 n2 = d2 d1 = z2 z1

Apabila

i lt 1 = transmisi roda gigi inkrisi

32

i gt 1 = transmisi roda gigi reduksi

dimana

n = Kecepatan (rpm)

d = Diameter ( in)

Z = Jumlah gigi

Perbandingan Gear ( Gear Ratio) variabel yang perlu diketahui

z = Jumlah gigi

d = Diameter

n = Kecepatan (speed)

τ = Torsi

2482 Klasifikasi Roda Gigi

Adapun roda gigi diklasifikasikan menurut beberapa hal yaitu

1 Menurut letak poros

2 Menurut bentuk alur gigi

3 Menurut arah putarannya

1 Menurut Letak Poros

Pembagian roda gigi menurut letak porosnya ada tiga macam yaitu

a Roda gigi dengan poros sejajar yaitu roda gigi di mana giginya

berjajar pada dua bidang silinder kedua bidang silinder tersebut

33

bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan

sumbu tetap sejajar Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

sejajar antara lain adalah

Roda gigi lurus

Roda gigi luar

Roda gigi miring

Roda gigi dalam

Roda gigi ganda

Roda gigi pinion

b Roda gigi dengan poros berpotongan yaitu roda gigi dimana giginya

berpotongan pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut

bersinggungan Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

berpotongan antara lain adalah

Roda gigi kerucut lurus

Roda gigi kerucut miring

Roda gigi kerucut spiral

Roda gigi kerucut miring ganda

Roda gigi permukaan

Roda gigi kerucut zerol

34

Gambar 26 Roda Gigi Sejajar Berpotongan dan Menyilang

c Roda gigi dengan poros silang yaitu roda gigi yang kedua sumbunya

saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan

gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan

menggelinding Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros silang

antara lain adalah

Roda gigi cacing silindris

Roda gigi hyperboloid

Roda gigi hipoid

Roda gigi cacing samping

2 Menurut Bentuk Alur Gigi

Pembagian roda gigi menurut bentuk alur giginya dibagi menjadi tiga

macam yaitu

a Roda gigi lurus yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan

sejajar dengan poros

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 5: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

13

angin dipilih sudu yang panjang sehingga torsi yang dihasilkan akan lebih

besar Ekor pada turbin berfungsi untuk menstabilkan kondisi turbin ketika

sudu mulai berputar akibat gaya angin Ekor akan membuat badan turbin

selalu bergerak sehingga sudu akan selalu searah dengan arah datangnya

angin Meskipun arah angin selalu berubah-ubah dengan bantuan ekor akan

menyebabkan sudu selalu mengarah sesuai dengan arah datangnya angin

Tower adalah tiang penyangga yang menghubungkan perangkat turbin angin

dengan permukaan tanah Tower dibuat dengan material yang sangat kuat

agar dapat menahan beban akibat gaya berat turbin angin dan gaya dari

angin Sedangkan alternator adalah sejenis generator yang dipasangkan pada

turbin angin untuk menghasilkan daya listrik akibat putaran dari poros

turbin Poros turbin dipasang menyatu dengan poros generator (satu poros)

atau bisa juga dipasang dengan sistem transmisi roda gigi (lebih dari satu

poros)

Berdasarkan letak rotor terhadap arah angin turbin angin aksial

dibedakan menjadi dua macam yaitu

1 Upwind

2 Downwind

Turbin angin jenis upwind memiliki rotor yang menhadap arah

datangnya angin sedangkan turbin angin jenis downwind memiliki rotor

yang membelakangi arah datangnya angin

14

Gambar 22 Turbin Angin Sumbu Horizontal Beserta Komponennya

(Sumber Sanfordlegendablogspotcoid 2013)

223 Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)

Turbin angin sumbu vertikal merupakan jenis turbin angin yang

pertama dibuat manusia Pada awalnya putaran rotornya hanya

memanfaatkan efek magnus yaitu karena adanya selisih gaya drag pada

kedua sisi rotor atau sudu sehingga menghasilkan momen gaya terhadap

sumbu putar rotor Salah satu contoh turbin angin sumbu vertikal jenis drag

adalah turbin angin Savonius yang mana terdiri dari dua atau tiga lembar

pelat yang dilengkungkan pada arah tangensial yang sama terhadap sumbu

putar

Turbin angin sumbu vertikal modern menerapkan bentuk yang

aerodinamis pada rotornya untuk menghasilkan momen gaya Contohnya

adalah turbin angin Darrieus Pada turbin angin Darrieus sudu dibentuk

melengkung dan berputar menyapu ruangan seperti tali yang berputar pada

sumbu vertikal Hal ini menyebabkan bentuk geometri sudunya rumit dan

15

sulit untuk dibuat Rotor turbin angin Darrieus pada umumya terdiri dari dua

atau tiga sudu Variasi dari turbin angin Darrieus adalah yang disebut

dengan turbin angin H (tipe H) tersusun dari dua atau tiga sudu lurus yang

dihubungkan dengan struktur rangka ke poros

Keuntungan dari konsep turbin angin sumbu vertikal adalah sederhana

dalam perancangannya diantaranya adalah memungkinkan menempatkan

komponen mekanik dan komponen elektronik transmisi roda gigi dan

generator dekat dengan permukaan tanah Rotor turbin angin sumbu vertikal

berputar tanpa dipengaruhi arah angin sehingga tidak membutuhkan

mekanisme pengatur arah (seperti ekor) yang ada pada turbin angin sumbu

horizontal

Gambar 23 Turbin Angin Sumbu Vertikal

(Sumber httpwwwpinterestcom)

16

Pada penerapannya turbin angin Savonius digunakan pada keperluan

kecil dan sederhana seperti untuk memutar pompa air Turbin angin

Savonius tidak sesuai digunakan untuk pembangkit listrik dikarenakan top

speed ratio dan faktor daya yang relatif rendah Dengan rancangan

aerodinamik yang optimal turbin angin savonius akan mencapai faktor daya

yang terbesar 025 Turbin angin Darrieus dapat digunakan untuk

pembangkit listrik karena memiliki putaran yang lebih tinggi dan faktor

daya yang lebih besar dibandingkan turbin angin Savonius

23 Potensi Angin di Indonesia

Potensi energi angin di Indonesia umumnya berkecepatan lebih dari 5 meter

per detik (ms) Hasil pemetaan Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional

(Lapan) pada 120 lokasi menunjukkan beberapa wilayah memiliki kecepatan

angin di atas 5 mdetik masing-masing Nusa Tenggara Timur Nusa Tenggara

Barat Sulawesi Selatan dan Pantai Selatan Jawa

Adapun kecepatan angin 4 ms hingga 5 ms tergolong berskala menengah

dengan potensi kapasitas 10-100 kW

Gambar 24 Peta Potensi Energi Angin di Indonesia

(sumber httpwwwhijaukucom)

17

Wilayah Indonesia yang berada di sekitar daerah ekuator merupakan daerah

pertemuan sirkulasi Hadley Walker dan lokal Kondisi ini ditengarai memiliki

potensi angin yang dapat dimanfaatkan untuk pengembangan energi terbarukan

sebagai alternatif pembangkit listrik yang selama ini lebih banyak menggunakan

bahan bakar minyak bumi Wilayah Sulawesi dan Maluku terletak di kawasan

Indonesia Timur yang terdiri dari ratusan pulau kecil yang sebagian besar

berpenduduk Seiring perkembangan zaman kebutuhan listrik di daerah tersebut

semakin meningkat untuk memenuhi kebutuhan listrik tersebut di bangun

pembangkit listrik tenaga diesel yang sangat bergantung pada bahan bakar fosil

dan berpotensi menimbulkan polusi terhadap lingkungan

Indonesia negara kepulauan yang 23 wilayahnya adalah lautan dan

mempunyai garis pantai terpanjang di dunia yaitu plusmn 8079142 Km merupakan

wilayah potensial untuk pengembangan pembanglit listrik tenaga angin

Pembangkit Listrik Tenaga Angin (Wind Power) adalah pembangkit yang

memanfaatkan hembusan angin sebagai sumber penghasil listrik Alat utamanya

adalah generator dengan generator tersebut maka dapat dihasilkan arus listrik dari

gerakan bladebaling-baling yang bergerak karena hembusan angin Pembangkit

ini (PLTB) lebih effisien dari pada pembangkit listrik tenaga surya didalam

menghasilkan listrik Pembangkit listrik telah ada dipasaran memiliki kapasitas

Watt per jam 200 400 500 1000 2000 dan 3000 Watt

Umumnya suatu pembangkit listrik tenaga anginbayu (PLTB) terdiri dari

beberapa komponen utama yaitu a) kincir angin b) gear box c) brake system d)

generator dan e) alat penyimpan energi

18

24 Dasar Perancangan Turbin Angin

241 Daya

Angin adalah udara yang bergerak Karena udara mempunyai massa

maka energi yang ditimbulkannya dapat dihitung berdasarkan energi kinetik

yang dirumuskan sebagai berikut

Energi Kinetik Ek = 05 x m x Vsup2 helliphellip(Eric Hau 2005 82)

dimana

m = massa (kg) (1 kg = 22 pounds)

V = kecepatan angin (mdetik) (meter = 3281 feet = 3937 inches)

Maka persamaan energi kinetik diatas menjadi persamaan aliran

Tenaga pada permukaan kincir adalah

P = 05 x ρ x A x Vsup3 helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 84)

dimana

P = tenaga dalam watts (746 watts = 1 hp) (1000 watts = 1 kilowatt)

ρ = massa jenis udara (1225 kgmsup3 pada permukaan laut)

A = permukaan kincir (msup2)

V = kecepatan angin dalam meterdetik (20 mph = 9 mdetik)

(mph224 = mdetik)

Persamaan ini merupakan tenaga dari aliran udara secara bebas Tidak

semua tenaga ini dapat diambil karena ada aliran udara yang lewat melalui

kincir (hanya dinding tegak lurus arah angin yang dapat mengambil 100

19

energi aliran angin) Sehingga kita harus menurunkan persamaan baru yang

lebih praktis untuk kincir angin

Tenaga Kincir Angin

P = 05 x ρ x A x Cp x Vsup3 x Ng x Nb helliphelliphelliphelliphelliphellip

(Eric Hau 2005 82)

dimana

P = tenaga dalam watts (746 watts = 1 hp) (1000 watts = 1 kilowatt)

ρ = massa jenis udara (1225 kgmsup3 pada permukaan laut)

A = permukaan kincir (msup2)

Cp = Koefisien kinerja (maksimum teoritis = 059 [Betz limit] Desain

= 035)

V = kecepatan angin dalam mdetik (20 mph = 9 mdetik)

Ng = efisiensi generator (50 altenator mobil 80 atau lebih utk

permanent magnet generator)

Nb = efisiensi gearboxbearing (jika bagus dapat mencapai 95)

20

242 Power Coefficient dan Tip Ratio

2421 Power Coefficient

Merupakan perbandingan antara daya yang dihasilkan secara

mekanik pada sudu akibat gaya angin terhadap daya yang dihasilkan

oleh gaya lift pada aliran udara Secara matematis hubungan ini dapat

dituliskan

= =

= =

(Erich Hau 2013 559)

dimana

= Koefisien daya

P = Daya mekanik dihasilkan rotor (watt)

= Daya mekanik total yang terkandung dalam angina yang

melalui sudu

ρ = Massa jenis udara (kg )

A = Luas penampang bidang sudu ( )

= Kecepatan aliran udara sebelum melewati sudu rotor (ms)

= Kecepatan aliran udara setelah melewati sudu rotor (ms)

21

Gambar 25 Kecepatan Udara Masuk dan Keluar Turbin

(Sumber httpeprintsundipacid)

Energi yang terkandung pada spin (putaran sudu) akan

mengurangi proporsi penggunaan energi total yang terkandung pada

aliran Secara teori momentum power coefficient dari turbin harus

lebih kecil daripada harga yang ditentukan oleh Belzrsquos (sekitar 0593)

akibat terjadinya losses pada mekanisme gerak turbin angin Power

coefficient bergantung pada rasio antara komponen energi gerak putar

sudu dan gerak rotasi pada aliran udara Rasio ini didefinisikan

sebagai kecepatan tangensial sudu rotor terhadap kecepatan aksial atau

kecepatan angina dan didefinisikan sebagai tip speed ratio () yang

secara umum direkomendasikan pada kecepatan tangensial dari ujung

sudu

2422 Tip Speed Ratio

Tip speed ratio (rasio kecepatan ujung) adalah rasio ujung rotor

terhadap kecepatan angin bebas Untuk kecepatan angin nominal yang

tertentu tip speed ratio akan berpengaruh pada kecepatan rotorTurbin

angin tip lift akan memiliki speed ratio yang lebih besar dibandingkan

22

dengan turbin tipe drag Besarnya tip speed ratio dapat dihitung

dengan persamaan

= helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 84)

dimana

= Tip Speed ratio

D = Diameter rotor (m)

n = Putaran rotor

v = Kecepatan angin (ms)

243 Gaya Horizontal Akibat Kecepatan Angin (kg)

Untuk menghitung energi maksimal angin yaitu dengan rumus sebagai

berikut

P = p A helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 82)

dimana

P = Daya angin (Watt)

ρ = kerapatan udara (kg )

A = Luas penampang blade (msup2)

V = kecepatan angin (ms)

23

Dalam hal ini dibutuhkan gaya drag lift di kali capture area

untuk mengetahui gaya angin yang sesungguhnya maka dapat

dihitung dengan rumus sebagai berikut

= A x Df helliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 86)

dimana

A = Luas Blade ( )

Df = Gaya drag (kg )

Gaya Df adalah gaya yang bekerja menabrak sudu turbin secara

horizontal yang dapat dihitung dengan rumus

Df = P sin szlig (kg )

244 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu

Jumlah sudu dapat ditetapkan berdasarkan harga satuan TSR

sebagaimana tabel berikut ini

Tabel 21 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu Berdasarkan TSR

λ 1 2 3 4 5-8 8-15

B 6-20 4-12 3-6 2-4 2-3 1-2

24

245 Geometri Bilah Sudu

Untuk memudahkan perhitungan jari-jari sudu dibagi menjadi 10

bagian dan diperoleh jari-jari lokal masing-masing bagian dari pusat rotor

adalah sebagai berikut

Tabel 22 Harga Radius Lokal Blade

r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10

02 04 06 08 100 120 140 160 180 200

Untuk menghitung rasio kecepatan lokal digunakan rumus dari

Djoyodihardjo (1983) sebagai berikut

λr1 = λ0

dimana

λr1 = Rasio kecepatan lokal

r = Jari-jari lokal dari pusat rotor (m)

λ0 = Rasio kecepatan ujung

R = Radius baling-baling (m)

25

246 Desain Ekor Pengarah (Tail)

Luas daun ekor pengarah dapat dihitung dengan menggunakan rumus

A 0 = 016 Ar

Dimana

A 0 = Luas daerah ekor pengarah (m2)

Ar = Luas sapuan rotor (m2)

IR = Jarak rotor ke sumbu vertikal menara (m)

IV = Jarak pusat daun ekor ke sumbu vertikal menara (m)

Ar =

247 Perencanaan Poros

Poros perlu dirancang berdasarkan pada

1 Kekuatan (strength)

2 Kekakuan (rigidity)

2471 Poros dengan beban torsi saja

Bila poros mendapat beban momen puntir atau torsi maka

diameter poros bisa diperoleh dengan menggunakan persamaan torsi

r

f

J

T S

Dimana

T = torsi yang bekerja pada poros (kg-cm)

J = momen inersia polar dari luas penampang (cm4)

fs = tegangan geser akibat torsi (kgcm2)

r = jarak dari sumbu netral ke bagian terluar (cm)

26

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

32

4dJ

Sehingga momen puntir pada poros adalah

3 16

dfT S

Untuk poros berongga

) -(32

44

0 iddJ

Dimana

d0 = diameter luar

di = diameter dalam

Dengan mensubstitusikan did0 = k maka didapat

0

i43

0sd

dk )k-(1 d f

16

T

Daya yang ditransmisikan oleh poros dapat diperoleh dari

60

NT2P

Dimana

P = daya (wat)

T = torsi (N-m)

N = kecepatan (rpm)

27

Dalam transmisi belt torsi diberikan dengan persamaan berikut

R)T - ( 21TT

Dimana

T1 = tarikan pada sisi kencang

T2 = tarikan pada sisi kendor

R = radius puli

2472 Poros dengan beban momen bending saja

Bila poros mendapat beban momen bending maka tegangan

maksimum (tarik atau tekan) diberikan oleh persamaan bending

y

f

M b

Dimana

M = momen bending (kg-cm)

I = momen inersia luas penampang terhadap sumbu

putar (cm4)

fb = tegangan bending (kgcm2)

y = jari-jari poros (cm)

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

2

d y dan d

64

4

I

Setelah disubstitusikan didapat

3

b d f 32

M

28

Untuk poros berongga

2

d y )k-1(

64)-(

64

0

0

44

0

44

0 d

dkdddI i

i

Bila (I) dan (y) dimasukkan ke persamaan maka diperoleh

)k-1(d f 32

43

0b

M

2473 Poros dengan kombinasi torsi dan bending

Jika poros mendapat beban gabungan torsi dan momen bending

maka poros harus dirancang berdasarkan torsi dan momen bending

secara simultan Dalam kondisi beban gabungan ini ada dua teori

yang dipakai untuk menghitung kegagalan elastik bahan yaitu

1 Teori tegangan geser maksimum atau Guestrsquos theory

Digunakan untuk bahan yang ulet (ductile materials) seperti

mild steel

2 Teori tegangan normal maksimum atau Rankinesrsquotheory

Digunakan untuk bahan yang rapuh (brittle materials) seperti

besi tuang

Merujuk pada teori tegangan geser maksimum maka tegangan

geser maksimum pada poros

22

)( 42

1SbmakS fff

Dimana

fb = tegangan bending akibat momen bending

fs = tegangan geser akibat torsi

29

Bila dimasukkan nilai fb dan fS maka

22

3

2

3

2

3)(

16

164

32

2

1TM

dd

T

d

Mf maks

16

223

)( TMdfatau makS

Menurut pembebanannya maka poros diklasifikasikan ke dalam

beberapa jenis sebagai berikut

a Poros trasmisi merupakan bagian mesin yang berputar biasanya

bentuk penampangnya bulat digunakan untuk memindahkan daya

melalui putaran Penerusan daya dilakukan melalui roda gigi kopling

puli sabuk sprocket rantai

b As atau gandar bentuknya seperti poros tetapi biasanya tidak

berputar tidak memindahkan torsi dan digunakan untuk menumpu

roda yang berputar pulley roda gigi dsb

c Spindle (poros mesin) adalah poros pendek yang merupakan

bagian yang menyatu dengan mesinnya

Hal-hal penting di dalam perhitungan poros

1 Tegangan dan kekuatan

2 Kekuatan

a Kekuatan statis

b Kekuatan kelelahan

c Keandalan

30

3 Defleksi dan ketegaran (rigidity)

a Defleksi bengkok

b Defleksi puntir

c Slope pada bantalan dan elemen-elemen penumpu poros

d Defleksi geser akibat beban melintang pada poros pendek

4 Keterangan-keterangan poros

Di dalam perancangan pada poros kincir angin horizontal pada

umumnya lebih menggunakanbahan poros = S 35 C

248 Roda Gigi atau Gearbox

Roda gigi berfungsi untuk mentransmisikan daya dan putaran yaitu

dari putaran tinggi ke putaran rendah ataupun dari putaran rendah ke

putaran yang lebih tinggi sehingga daya yang dihasilkan dari sudu rotor

dapat ditransmisikan ke beban yang ingin di gerakkan (Sularso Kiyokatsu

Suga Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin)

2481 Perhitungan Dalam Roda Gigi

Dalam merancang roda gigi lurus prosedur berikut dapat

diikuti

Beban tangensial gigi diperoleh dari hubungan berikut

sT CV

PW

4500

31

Dimana

WT = beban tangensial gigi yang diijinkan (kg)

P = daya yang ditransmisikan (hp)

V = kecepatan keliling (mmenit)

(mmenit) 100

NDV

D = pitch diameter (cm)

N = kecepatan putar (rpm)

Cs = service factor (tabel)

Dalam transmisi roda gigi kita mengenal adanya input dan

output juga kita mengenal adanya Efisiensi gear Apabila putaran

keluaran output lebih rendah dari masukan input maka transmisi

disebut reduksi (reduction gear) tetapi apabila keluaran lebih cepat

dari pada masukan maka disebut inkrisi ( increaser gear) Kerjasama

lebih dari dua roda gigi disebut transmisi kereta api (train gear)

Perbadingan input dan output disebut perbandingan putaran

transmisi (speed ratio) dinyatakan dalam notasi i

Speed ratio i = n1 n2 = d2 d1 = z2 z1

Apabila

i lt 1 = transmisi roda gigi inkrisi

32

i gt 1 = transmisi roda gigi reduksi

dimana

n = Kecepatan (rpm)

d = Diameter ( in)

Z = Jumlah gigi

Perbandingan Gear ( Gear Ratio) variabel yang perlu diketahui

z = Jumlah gigi

d = Diameter

n = Kecepatan (speed)

τ = Torsi

2482 Klasifikasi Roda Gigi

Adapun roda gigi diklasifikasikan menurut beberapa hal yaitu

1 Menurut letak poros

2 Menurut bentuk alur gigi

3 Menurut arah putarannya

1 Menurut Letak Poros

Pembagian roda gigi menurut letak porosnya ada tiga macam yaitu

a Roda gigi dengan poros sejajar yaitu roda gigi di mana giginya

berjajar pada dua bidang silinder kedua bidang silinder tersebut

33

bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan

sumbu tetap sejajar Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

sejajar antara lain adalah

Roda gigi lurus

Roda gigi luar

Roda gigi miring

Roda gigi dalam

Roda gigi ganda

Roda gigi pinion

b Roda gigi dengan poros berpotongan yaitu roda gigi dimana giginya

berpotongan pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut

bersinggungan Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

berpotongan antara lain adalah

Roda gigi kerucut lurus

Roda gigi kerucut miring

Roda gigi kerucut spiral

Roda gigi kerucut miring ganda

Roda gigi permukaan

Roda gigi kerucut zerol

34

Gambar 26 Roda Gigi Sejajar Berpotongan dan Menyilang

c Roda gigi dengan poros silang yaitu roda gigi yang kedua sumbunya

saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan

gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan

menggelinding Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros silang

antara lain adalah

Roda gigi cacing silindris

Roda gigi hyperboloid

Roda gigi hipoid

Roda gigi cacing samping

2 Menurut Bentuk Alur Gigi

Pembagian roda gigi menurut bentuk alur giginya dibagi menjadi tiga

macam yaitu

a Roda gigi lurus yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan

sejajar dengan poros

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 6: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

14

Gambar 22 Turbin Angin Sumbu Horizontal Beserta Komponennya

(Sumber Sanfordlegendablogspotcoid 2013)

223 Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)

Turbin angin sumbu vertikal merupakan jenis turbin angin yang

pertama dibuat manusia Pada awalnya putaran rotornya hanya

memanfaatkan efek magnus yaitu karena adanya selisih gaya drag pada

kedua sisi rotor atau sudu sehingga menghasilkan momen gaya terhadap

sumbu putar rotor Salah satu contoh turbin angin sumbu vertikal jenis drag

adalah turbin angin Savonius yang mana terdiri dari dua atau tiga lembar

pelat yang dilengkungkan pada arah tangensial yang sama terhadap sumbu

putar

Turbin angin sumbu vertikal modern menerapkan bentuk yang

aerodinamis pada rotornya untuk menghasilkan momen gaya Contohnya

adalah turbin angin Darrieus Pada turbin angin Darrieus sudu dibentuk

melengkung dan berputar menyapu ruangan seperti tali yang berputar pada

sumbu vertikal Hal ini menyebabkan bentuk geometri sudunya rumit dan

15

sulit untuk dibuat Rotor turbin angin Darrieus pada umumya terdiri dari dua

atau tiga sudu Variasi dari turbin angin Darrieus adalah yang disebut

dengan turbin angin H (tipe H) tersusun dari dua atau tiga sudu lurus yang

dihubungkan dengan struktur rangka ke poros

Keuntungan dari konsep turbin angin sumbu vertikal adalah sederhana

dalam perancangannya diantaranya adalah memungkinkan menempatkan

komponen mekanik dan komponen elektronik transmisi roda gigi dan

generator dekat dengan permukaan tanah Rotor turbin angin sumbu vertikal

berputar tanpa dipengaruhi arah angin sehingga tidak membutuhkan

mekanisme pengatur arah (seperti ekor) yang ada pada turbin angin sumbu

horizontal

Gambar 23 Turbin Angin Sumbu Vertikal

(Sumber httpwwwpinterestcom)

16

Pada penerapannya turbin angin Savonius digunakan pada keperluan

kecil dan sederhana seperti untuk memutar pompa air Turbin angin

Savonius tidak sesuai digunakan untuk pembangkit listrik dikarenakan top

speed ratio dan faktor daya yang relatif rendah Dengan rancangan

aerodinamik yang optimal turbin angin savonius akan mencapai faktor daya

yang terbesar 025 Turbin angin Darrieus dapat digunakan untuk

pembangkit listrik karena memiliki putaran yang lebih tinggi dan faktor

daya yang lebih besar dibandingkan turbin angin Savonius

23 Potensi Angin di Indonesia

Potensi energi angin di Indonesia umumnya berkecepatan lebih dari 5 meter

per detik (ms) Hasil pemetaan Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional

(Lapan) pada 120 lokasi menunjukkan beberapa wilayah memiliki kecepatan

angin di atas 5 mdetik masing-masing Nusa Tenggara Timur Nusa Tenggara

Barat Sulawesi Selatan dan Pantai Selatan Jawa

Adapun kecepatan angin 4 ms hingga 5 ms tergolong berskala menengah

dengan potensi kapasitas 10-100 kW

Gambar 24 Peta Potensi Energi Angin di Indonesia

(sumber httpwwwhijaukucom)

17

Wilayah Indonesia yang berada di sekitar daerah ekuator merupakan daerah

pertemuan sirkulasi Hadley Walker dan lokal Kondisi ini ditengarai memiliki

potensi angin yang dapat dimanfaatkan untuk pengembangan energi terbarukan

sebagai alternatif pembangkit listrik yang selama ini lebih banyak menggunakan

bahan bakar minyak bumi Wilayah Sulawesi dan Maluku terletak di kawasan

Indonesia Timur yang terdiri dari ratusan pulau kecil yang sebagian besar

berpenduduk Seiring perkembangan zaman kebutuhan listrik di daerah tersebut

semakin meningkat untuk memenuhi kebutuhan listrik tersebut di bangun

pembangkit listrik tenaga diesel yang sangat bergantung pada bahan bakar fosil

dan berpotensi menimbulkan polusi terhadap lingkungan

Indonesia negara kepulauan yang 23 wilayahnya adalah lautan dan

mempunyai garis pantai terpanjang di dunia yaitu plusmn 8079142 Km merupakan

wilayah potensial untuk pengembangan pembanglit listrik tenaga angin

Pembangkit Listrik Tenaga Angin (Wind Power) adalah pembangkit yang

memanfaatkan hembusan angin sebagai sumber penghasil listrik Alat utamanya

adalah generator dengan generator tersebut maka dapat dihasilkan arus listrik dari

gerakan bladebaling-baling yang bergerak karena hembusan angin Pembangkit

ini (PLTB) lebih effisien dari pada pembangkit listrik tenaga surya didalam

menghasilkan listrik Pembangkit listrik telah ada dipasaran memiliki kapasitas

Watt per jam 200 400 500 1000 2000 dan 3000 Watt

Umumnya suatu pembangkit listrik tenaga anginbayu (PLTB) terdiri dari

beberapa komponen utama yaitu a) kincir angin b) gear box c) brake system d)

generator dan e) alat penyimpan energi

18

24 Dasar Perancangan Turbin Angin

241 Daya

Angin adalah udara yang bergerak Karena udara mempunyai massa

maka energi yang ditimbulkannya dapat dihitung berdasarkan energi kinetik

yang dirumuskan sebagai berikut

Energi Kinetik Ek = 05 x m x Vsup2 helliphellip(Eric Hau 2005 82)

dimana

m = massa (kg) (1 kg = 22 pounds)

V = kecepatan angin (mdetik) (meter = 3281 feet = 3937 inches)

Maka persamaan energi kinetik diatas menjadi persamaan aliran

Tenaga pada permukaan kincir adalah

P = 05 x ρ x A x Vsup3 helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 84)

dimana

P = tenaga dalam watts (746 watts = 1 hp) (1000 watts = 1 kilowatt)

ρ = massa jenis udara (1225 kgmsup3 pada permukaan laut)

A = permukaan kincir (msup2)

V = kecepatan angin dalam meterdetik (20 mph = 9 mdetik)

(mph224 = mdetik)

Persamaan ini merupakan tenaga dari aliran udara secara bebas Tidak

semua tenaga ini dapat diambil karena ada aliran udara yang lewat melalui

kincir (hanya dinding tegak lurus arah angin yang dapat mengambil 100

19

energi aliran angin) Sehingga kita harus menurunkan persamaan baru yang

lebih praktis untuk kincir angin

Tenaga Kincir Angin

P = 05 x ρ x A x Cp x Vsup3 x Ng x Nb helliphelliphelliphelliphelliphellip

(Eric Hau 2005 82)

dimana

P = tenaga dalam watts (746 watts = 1 hp) (1000 watts = 1 kilowatt)

ρ = massa jenis udara (1225 kgmsup3 pada permukaan laut)

A = permukaan kincir (msup2)

Cp = Koefisien kinerja (maksimum teoritis = 059 [Betz limit] Desain

= 035)

V = kecepatan angin dalam mdetik (20 mph = 9 mdetik)

Ng = efisiensi generator (50 altenator mobil 80 atau lebih utk

permanent magnet generator)

Nb = efisiensi gearboxbearing (jika bagus dapat mencapai 95)

20

242 Power Coefficient dan Tip Ratio

2421 Power Coefficient

Merupakan perbandingan antara daya yang dihasilkan secara

mekanik pada sudu akibat gaya angin terhadap daya yang dihasilkan

oleh gaya lift pada aliran udara Secara matematis hubungan ini dapat

dituliskan

= =

= =

(Erich Hau 2013 559)

dimana

= Koefisien daya

P = Daya mekanik dihasilkan rotor (watt)

= Daya mekanik total yang terkandung dalam angina yang

melalui sudu

ρ = Massa jenis udara (kg )

A = Luas penampang bidang sudu ( )

= Kecepatan aliran udara sebelum melewati sudu rotor (ms)

= Kecepatan aliran udara setelah melewati sudu rotor (ms)

21

Gambar 25 Kecepatan Udara Masuk dan Keluar Turbin

(Sumber httpeprintsundipacid)

Energi yang terkandung pada spin (putaran sudu) akan

mengurangi proporsi penggunaan energi total yang terkandung pada

aliran Secara teori momentum power coefficient dari turbin harus

lebih kecil daripada harga yang ditentukan oleh Belzrsquos (sekitar 0593)

akibat terjadinya losses pada mekanisme gerak turbin angin Power

coefficient bergantung pada rasio antara komponen energi gerak putar

sudu dan gerak rotasi pada aliran udara Rasio ini didefinisikan

sebagai kecepatan tangensial sudu rotor terhadap kecepatan aksial atau

kecepatan angina dan didefinisikan sebagai tip speed ratio () yang

secara umum direkomendasikan pada kecepatan tangensial dari ujung

sudu

2422 Tip Speed Ratio

Tip speed ratio (rasio kecepatan ujung) adalah rasio ujung rotor

terhadap kecepatan angin bebas Untuk kecepatan angin nominal yang

tertentu tip speed ratio akan berpengaruh pada kecepatan rotorTurbin

angin tip lift akan memiliki speed ratio yang lebih besar dibandingkan

22

dengan turbin tipe drag Besarnya tip speed ratio dapat dihitung

dengan persamaan

= helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 84)

dimana

= Tip Speed ratio

D = Diameter rotor (m)

n = Putaran rotor

v = Kecepatan angin (ms)

243 Gaya Horizontal Akibat Kecepatan Angin (kg)

Untuk menghitung energi maksimal angin yaitu dengan rumus sebagai

berikut

P = p A helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 82)

dimana

P = Daya angin (Watt)

ρ = kerapatan udara (kg )

A = Luas penampang blade (msup2)

V = kecepatan angin (ms)

23

Dalam hal ini dibutuhkan gaya drag lift di kali capture area

untuk mengetahui gaya angin yang sesungguhnya maka dapat

dihitung dengan rumus sebagai berikut

= A x Df helliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 86)

dimana

A = Luas Blade ( )

Df = Gaya drag (kg )

Gaya Df adalah gaya yang bekerja menabrak sudu turbin secara

horizontal yang dapat dihitung dengan rumus

Df = P sin szlig (kg )

244 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu

Jumlah sudu dapat ditetapkan berdasarkan harga satuan TSR

sebagaimana tabel berikut ini

Tabel 21 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu Berdasarkan TSR

λ 1 2 3 4 5-8 8-15

B 6-20 4-12 3-6 2-4 2-3 1-2

24

245 Geometri Bilah Sudu

Untuk memudahkan perhitungan jari-jari sudu dibagi menjadi 10

bagian dan diperoleh jari-jari lokal masing-masing bagian dari pusat rotor

adalah sebagai berikut

Tabel 22 Harga Radius Lokal Blade

r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10

02 04 06 08 100 120 140 160 180 200

Untuk menghitung rasio kecepatan lokal digunakan rumus dari

Djoyodihardjo (1983) sebagai berikut

λr1 = λ0

dimana

λr1 = Rasio kecepatan lokal

r = Jari-jari lokal dari pusat rotor (m)

λ0 = Rasio kecepatan ujung

R = Radius baling-baling (m)

25

246 Desain Ekor Pengarah (Tail)

Luas daun ekor pengarah dapat dihitung dengan menggunakan rumus

A 0 = 016 Ar

Dimana

A 0 = Luas daerah ekor pengarah (m2)

Ar = Luas sapuan rotor (m2)

IR = Jarak rotor ke sumbu vertikal menara (m)

IV = Jarak pusat daun ekor ke sumbu vertikal menara (m)

Ar =

247 Perencanaan Poros

Poros perlu dirancang berdasarkan pada

1 Kekuatan (strength)

2 Kekakuan (rigidity)

2471 Poros dengan beban torsi saja

Bila poros mendapat beban momen puntir atau torsi maka

diameter poros bisa diperoleh dengan menggunakan persamaan torsi

r

f

J

T S

Dimana

T = torsi yang bekerja pada poros (kg-cm)

J = momen inersia polar dari luas penampang (cm4)

fs = tegangan geser akibat torsi (kgcm2)

r = jarak dari sumbu netral ke bagian terluar (cm)

26

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

32

4dJ

Sehingga momen puntir pada poros adalah

3 16

dfT S

Untuk poros berongga

) -(32

44

0 iddJ

Dimana

d0 = diameter luar

di = diameter dalam

Dengan mensubstitusikan did0 = k maka didapat

0

i43

0sd

dk )k-(1 d f

16

T

Daya yang ditransmisikan oleh poros dapat diperoleh dari

60

NT2P

Dimana

P = daya (wat)

T = torsi (N-m)

N = kecepatan (rpm)

27

Dalam transmisi belt torsi diberikan dengan persamaan berikut

R)T - ( 21TT

Dimana

T1 = tarikan pada sisi kencang

T2 = tarikan pada sisi kendor

R = radius puli

2472 Poros dengan beban momen bending saja

Bila poros mendapat beban momen bending maka tegangan

maksimum (tarik atau tekan) diberikan oleh persamaan bending

y

f

M b

Dimana

M = momen bending (kg-cm)

I = momen inersia luas penampang terhadap sumbu

putar (cm4)

fb = tegangan bending (kgcm2)

y = jari-jari poros (cm)

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

2

d y dan d

64

4

I

Setelah disubstitusikan didapat

3

b d f 32

M

28

Untuk poros berongga

2

d y )k-1(

64)-(

64

0

0

44

0

44

0 d

dkdddI i

i

Bila (I) dan (y) dimasukkan ke persamaan maka diperoleh

)k-1(d f 32

43

0b

M

2473 Poros dengan kombinasi torsi dan bending

Jika poros mendapat beban gabungan torsi dan momen bending

maka poros harus dirancang berdasarkan torsi dan momen bending

secara simultan Dalam kondisi beban gabungan ini ada dua teori

yang dipakai untuk menghitung kegagalan elastik bahan yaitu

1 Teori tegangan geser maksimum atau Guestrsquos theory

Digunakan untuk bahan yang ulet (ductile materials) seperti

mild steel

2 Teori tegangan normal maksimum atau Rankinesrsquotheory

Digunakan untuk bahan yang rapuh (brittle materials) seperti

besi tuang

Merujuk pada teori tegangan geser maksimum maka tegangan

geser maksimum pada poros

22

)( 42

1SbmakS fff

Dimana

fb = tegangan bending akibat momen bending

fs = tegangan geser akibat torsi

29

Bila dimasukkan nilai fb dan fS maka

22

3

2

3

2

3)(

16

164

32

2

1TM

dd

T

d

Mf maks

16

223

)( TMdfatau makS

Menurut pembebanannya maka poros diklasifikasikan ke dalam

beberapa jenis sebagai berikut

a Poros trasmisi merupakan bagian mesin yang berputar biasanya

bentuk penampangnya bulat digunakan untuk memindahkan daya

melalui putaran Penerusan daya dilakukan melalui roda gigi kopling

puli sabuk sprocket rantai

b As atau gandar bentuknya seperti poros tetapi biasanya tidak

berputar tidak memindahkan torsi dan digunakan untuk menumpu

roda yang berputar pulley roda gigi dsb

c Spindle (poros mesin) adalah poros pendek yang merupakan

bagian yang menyatu dengan mesinnya

Hal-hal penting di dalam perhitungan poros

1 Tegangan dan kekuatan

2 Kekuatan

a Kekuatan statis

b Kekuatan kelelahan

c Keandalan

30

3 Defleksi dan ketegaran (rigidity)

a Defleksi bengkok

b Defleksi puntir

c Slope pada bantalan dan elemen-elemen penumpu poros

d Defleksi geser akibat beban melintang pada poros pendek

4 Keterangan-keterangan poros

Di dalam perancangan pada poros kincir angin horizontal pada

umumnya lebih menggunakanbahan poros = S 35 C

248 Roda Gigi atau Gearbox

Roda gigi berfungsi untuk mentransmisikan daya dan putaran yaitu

dari putaran tinggi ke putaran rendah ataupun dari putaran rendah ke

putaran yang lebih tinggi sehingga daya yang dihasilkan dari sudu rotor

dapat ditransmisikan ke beban yang ingin di gerakkan (Sularso Kiyokatsu

Suga Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin)

2481 Perhitungan Dalam Roda Gigi

Dalam merancang roda gigi lurus prosedur berikut dapat

diikuti

Beban tangensial gigi diperoleh dari hubungan berikut

sT CV

PW

4500

31

Dimana

WT = beban tangensial gigi yang diijinkan (kg)

P = daya yang ditransmisikan (hp)

V = kecepatan keliling (mmenit)

(mmenit) 100

NDV

D = pitch diameter (cm)

N = kecepatan putar (rpm)

Cs = service factor (tabel)

Dalam transmisi roda gigi kita mengenal adanya input dan

output juga kita mengenal adanya Efisiensi gear Apabila putaran

keluaran output lebih rendah dari masukan input maka transmisi

disebut reduksi (reduction gear) tetapi apabila keluaran lebih cepat

dari pada masukan maka disebut inkrisi ( increaser gear) Kerjasama

lebih dari dua roda gigi disebut transmisi kereta api (train gear)

Perbadingan input dan output disebut perbandingan putaran

transmisi (speed ratio) dinyatakan dalam notasi i

Speed ratio i = n1 n2 = d2 d1 = z2 z1

Apabila

i lt 1 = transmisi roda gigi inkrisi

32

i gt 1 = transmisi roda gigi reduksi

dimana

n = Kecepatan (rpm)

d = Diameter ( in)

Z = Jumlah gigi

Perbandingan Gear ( Gear Ratio) variabel yang perlu diketahui

z = Jumlah gigi

d = Diameter

n = Kecepatan (speed)

τ = Torsi

2482 Klasifikasi Roda Gigi

Adapun roda gigi diklasifikasikan menurut beberapa hal yaitu

1 Menurut letak poros

2 Menurut bentuk alur gigi

3 Menurut arah putarannya

1 Menurut Letak Poros

Pembagian roda gigi menurut letak porosnya ada tiga macam yaitu

a Roda gigi dengan poros sejajar yaitu roda gigi di mana giginya

berjajar pada dua bidang silinder kedua bidang silinder tersebut

33

bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan

sumbu tetap sejajar Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

sejajar antara lain adalah

Roda gigi lurus

Roda gigi luar

Roda gigi miring

Roda gigi dalam

Roda gigi ganda

Roda gigi pinion

b Roda gigi dengan poros berpotongan yaitu roda gigi dimana giginya

berpotongan pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut

bersinggungan Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

berpotongan antara lain adalah

Roda gigi kerucut lurus

Roda gigi kerucut miring

Roda gigi kerucut spiral

Roda gigi kerucut miring ganda

Roda gigi permukaan

Roda gigi kerucut zerol

34

Gambar 26 Roda Gigi Sejajar Berpotongan dan Menyilang

c Roda gigi dengan poros silang yaitu roda gigi yang kedua sumbunya

saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan

gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan

menggelinding Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros silang

antara lain adalah

Roda gigi cacing silindris

Roda gigi hyperboloid

Roda gigi hipoid

Roda gigi cacing samping

2 Menurut Bentuk Alur Gigi

Pembagian roda gigi menurut bentuk alur giginya dibagi menjadi tiga

macam yaitu

a Roda gigi lurus yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan

sejajar dengan poros

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 7: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

15

sulit untuk dibuat Rotor turbin angin Darrieus pada umumya terdiri dari dua

atau tiga sudu Variasi dari turbin angin Darrieus adalah yang disebut

dengan turbin angin H (tipe H) tersusun dari dua atau tiga sudu lurus yang

dihubungkan dengan struktur rangka ke poros

Keuntungan dari konsep turbin angin sumbu vertikal adalah sederhana

dalam perancangannya diantaranya adalah memungkinkan menempatkan

komponen mekanik dan komponen elektronik transmisi roda gigi dan

generator dekat dengan permukaan tanah Rotor turbin angin sumbu vertikal

berputar tanpa dipengaruhi arah angin sehingga tidak membutuhkan

mekanisme pengatur arah (seperti ekor) yang ada pada turbin angin sumbu

horizontal

Gambar 23 Turbin Angin Sumbu Vertikal

(Sumber httpwwwpinterestcom)

16

Pada penerapannya turbin angin Savonius digunakan pada keperluan

kecil dan sederhana seperti untuk memutar pompa air Turbin angin

Savonius tidak sesuai digunakan untuk pembangkit listrik dikarenakan top

speed ratio dan faktor daya yang relatif rendah Dengan rancangan

aerodinamik yang optimal turbin angin savonius akan mencapai faktor daya

yang terbesar 025 Turbin angin Darrieus dapat digunakan untuk

pembangkit listrik karena memiliki putaran yang lebih tinggi dan faktor

daya yang lebih besar dibandingkan turbin angin Savonius

23 Potensi Angin di Indonesia

Potensi energi angin di Indonesia umumnya berkecepatan lebih dari 5 meter

per detik (ms) Hasil pemetaan Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional

(Lapan) pada 120 lokasi menunjukkan beberapa wilayah memiliki kecepatan

angin di atas 5 mdetik masing-masing Nusa Tenggara Timur Nusa Tenggara

Barat Sulawesi Selatan dan Pantai Selatan Jawa

Adapun kecepatan angin 4 ms hingga 5 ms tergolong berskala menengah

dengan potensi kapasitas 10-100 kW

Gambar 24 Peta Potensi Energi Angin di Indonesia

(sumber httpwwwhijaukucom)

17

Wilayah Indonesia yang berada di sekitar daerah ekuator merupakan daerah

pertemuan sirkulasi Hadley Walker dan lokal Kondisi ini ditengarai memiliki

potensi angin yang dapat dimanfaatkan untuk pengembangan energi terbarukan

sebagai alternatif pembangkit listrik yang selama ini lebih banyak menggunakan

bahan bakar minyak bumi Wilayah Sulawesi dan Maluku terletak di kawasan

Indonesia Timur yang terdiri dari ratusan pulau kecil yang sebagian besar

berpenduduk Seiring perkembangan zaman kebutuhan listrik di daerah tersebut

semakin meningkat untuk memenuhi kebutuhan listrik tersebut di bangun

pembangkit listrik tenaga diesel yang sangat bergantung pada bahan bakar fosil

dan berpotensi menimbulkan polusi terhadap lingkungan

Indonesia negara kepulauan yang 23 wilayahnya adalah lautan dan

mempunyai garis pantai terpanjang di dunia yaitu plusmn 8079142 Km merupakan

wilayah potensial untuk pengembangan pembanglit listrik tenaga angin

Pembangkit Listrik Tenaga Angin (Wind Power) adalah pembangkit yang

memanfaatkan hembusan angin sebagai sumber penghasil listrik Alat utamanya

adalah generator dengan generator tersebut maka dapat dihasilkan arus listrik dari

gerakan bladebaling-baling yang bergerak karena hembusan angin Pembangkit

ini (PLTB) lebih effisien dari pada pembangkit listrik tenaga surya didalam

menghasilkan listrik Pembangkit listrik telah ada dipasaran memiliki kapasitas

Watt per jam 200 400 500 1000 2000 dan 3000 Watt

Umumnya suatu pembangkit listrik tenaga anginbayu (PLTB) terdiri dari

beberapa komponen utama yaitu a) kincir angin b) gear box c) brake system d)

generator dan e) alat penyimpan energi

18

24 Dasar Perancangan Turbin Angin

241 Daya

Angin adalah udara yang bergerak Karena udara mempunyai massa

maka energi yang ditimbulkannya dapat dihitung berdasarkan energi kinetik

yang dirumuskan sebagai berikut

Energi Kinetik Ek = 05 x m x Vsup2 helliphellip(Eric Hau 2005 82)

dimana

m = massa (kg) (1 kg = 22 pounds)

V = kecepatan angin (mdetik) (meter = 3281 feet = 3937 inches)

Maka persamaan energi kinetik diatas menjadi persamaan aliran

Tenaga pada permukaan kincir adalah

P = 05 x ρ x A x Vsup3 helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 84)

dimana

P = tenaga dalam watts (746 watts = 1 hp) (1000 watts = 1 kilowatt)

ρ = massa jenis udara (1225 kgmsup3 pada permukaan laut)

A = permukaan kincir (msup2)

V = kecepatan angin dalam meterdetik (20 mph = 9 mdetik)

(mph224 = mdetik)

Persamaan ini merupakan tenaga dari aliran udara secara bebas Tidak

semua tenaga ini dapat diambil karena ada aliran udara yang lewat melalui

kincir (hanya dinding tegak lurus arah angin yang dapat mengambil 100

19

energi aliran angin) Sehingga kita harus menurunkan persamaan baru yang

lebih praktis untuk kincir angin

Tenaga Kincir Angin

P = 05 x ρ x A x Cp x Vsup3 x Ng x Nb helliphelliphelliphelliphelliphellip

(Eric Hau 2005 82)

dimana

P = tenaga dalam watts (746 watts = 1 hp) (1000 watts = 1 kilowatt)

ρ = massa jenis udara (1225 kgmsup3 pada permukaan laut)

A = permukaan kincir (msup2)

Cp = Koefisien kinerja (maksimum teoritis = 059 [Betz limit] Desain

= 035)

V = kecepatan angin dalam mdetik (20 mph = 9 mdetik)

Ng = efisiensi generator (50 altenator mobil 80 atau lebih utk

permanent magnet generator)

Nb = efisiensi gearboxbearing (jika bagus dapat mencapai 95)

20

242 Power Coefficient dan Tip Ratio

2421 Power Coefficient

Merupakan perbandingan antara daya yang dihasilkan secara

mekanik pada sudu akibat gaya angin terhadap daya yang dihasilkan

oleh gaya lift pada aliran udara Secara matematis hubungan ini dapat

dituliskan

= =

= =

(Erich Hau 2013 559)

dimana

= Koefisien daya

P = Daya mekanik dihasilkan rotor (watt)

= Daya mekanik total yang terkandung dalam angina yang

melalui sudu

ρ = Massa jenis udara (kg )

A = Luas penampang bidang sudu ( )

= Kecepatan aliran udara sebelum melewati sudu rotor (ms)

= Kecepatan aliran udara setelah melewati sudu rotor (ms)

21

Gambar 25 Kecepatan Udara Masuk dan Keluar Turbin

(Sumber httpeprintsundipacid)

Energi yang terkandung pada spin (putaran sudu) akan

mengurangi proporsi penggunaan energi total yang terkandung pada

aliran Secara teori momentum power coefficient dari turbin harus

lebih kecil daripada harga yang ditentukan oleh Belzrsquos (sekitar 0593)

akibat terjadinya losses pada mekanisme gerak turbin angin Power

coefficient bergantung pada rasio antara komponen energi gerak putar

sudu dan gerak rotasi pada aliran udara Rasio ini didefinisikan

sebagai kecepatan tangensial sudu rotor terhadap kecepatan aksial atau

kecepatan angina dan didefinisikan sebagai tip speed ratio () yang

secara umum direkomendasikan pada kecepatan tangensial dari ujung

sudu

2422 Tip Speed Ratio

Tip speed ratio (rasio kecepatan ujung) adalah rasio ujung rotor

terhadap kecepatan angin bebas Untuk kecepatan angin nominal yang

tertentu tip speed ratio akan berpengaruh pada kecepatan rotorTurbin

angin tip lift akan memiliki speed ratio yang lebih besar dibandingkan

22

dengan turbin tipe drag Besarnya tip speed ratio dapat dihitung

dengan persamaan

= helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 84)

dimana

= Tip Speed ratio

D = Diameter rotor (m)

n = Putaran rotor

v = Kecepatan angin (ms)

243 Gaya Horizontal Akibat Kecepatan Angin (kg)

Untuk menghitung energi maksimal angin yaitu dengan rumus sebagai

berikut

P = p A helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 82)

dimana

P = Daya angin (Watt)

ρ = kerapatan udara (kg )

A = Luas penampang blade (msup2)

V = kecepatan angin (ms)

23

Dalam hal ini dibutuhkan gaya drag lift di kali capture area

untuk mengetahui gaya angin yang sesungguhnya maka dapat

dihitung dengan rumus sebagai berikut

= A x Df helliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 86)

dimana

A = Luas Blade ( )

Df = Gaya drag (kg )

Gaya Df adalah gaya yang bekerja menabrak sudu turbin secara

horizontal yang dapat dihitung dengan rumus

Df = P sin szlig (kg )

244 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu

Jumlah sudu dapat ditetapkan berdasarkan harga satuan TSR

sebagaimana tabel berikut ini

Tabel 21 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu Berdasarkan TSR

λ 1 2 3 4 5-8 8-15

B 6-20 4-12 3-6 2-4 2-3 1-2

24

245 Geometri Bilah Sudu

Untuk memudahkan perhitungan jari-jari sudu dibagi menjadi 10

bagian dan diperoleh jari-jari lokal masing-masing bagian dari pusat rotor

adalah sebagai berikut

Tabel 22 Harga Radius Lokal Blade

r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10

02 04 06 08 100 120 140 160 180 200

Untuk menghitung rasio kecepatan lokal digunakan rumus dari

Djoyodihardjo (1983) sebagai berikut

λr1 = λ0

dimana

λr1 = Rasio kecepatan lokal

r = Jari-jari lokal dari pusat rotor (m)

λ0 = Rasio kecepatan ujung

R = Radius baling-baling (m)

25

246 Desain Ekor Pengarah (Tail)

Luas daun ekor pengarah dapat dihitung dengan menggunakan rumus

A 0 = 016 Ar

Dimana

A 0 = Luas daerah ekor pengarah (m2)

Ar = Luas sapuan rotor (m2)

IR = Jarak rotor ke sumbu vertikal menara (m)

IV = Jarak pusat daun ekor ke sumbu vertikal menara (m)

Ar =

247 Perencanaan Poros

Poros perlu dirancang berdasarkan pada

1 Kekuatan (strength)

2 Kekakuan (rigidity)

2471 Poros dengan beban torsi saja

Bila poros mendapat beban momen puntir atau torsi maka

diameter poros bisa diperoleh dengan menggunakan persamaan torsi

r

f

J

T S

Dimana

T = torsi yang bekerja pada poros (kg-cm)

J = momen inersia polar dari luas penampang (cm4)

fs = tegangan geser akibat torsi (kgcm2)

r = jarak dari sumbu netral ke bagian terluar (cm)

26

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

32

4dJ

Sehingga momen puntir pada poros adalah

3 16

dfT S

Untuk poros berongga

) -(32

44

0 iddJ

Dimana

d0 = diameter luar

di = diameter dalam

Dengan mensubstitusikan did0 = k maka didapat

0

i43

0sd

dk )k-(1 d f

16

T

Daya yang ditransmisikan oleh poros dapat diperoleh dari

60

NT2P

Dimana

P = daya (wat)

T = torsi (N-m)

N = kecepatan (rpm)

27

Dalam transmisi belt torsi diberikan dengan persamaan berikut

R)T - ( 21TT

Dimana

T1 = tarikan pada sisi kencang

T2 = tarikan pada sisi kendor

R = radius puli

2472 Poros dengan beban momen bending saja

Bila poros mendapat beban momen bending maka tegangan

maksimum (tarik atau tekan) diberikan oleh persamaan bending

y

f

M b

Dimana

M = momen bending (kg-cm)

I = momen inersia luas penampang terhadap sumbu

putar (cm4)

fb = tegangan bending (kgcm2)

y = jari-jari poros (cm)

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

2

d y dan d

64

4

I

Setelah disubstitusikan didapat

3

b d f 32

M

28

Untuk poros berongga

2

d y )k-1(

64)-(

64

0

0

44

0

44

0 d

dkdddI i

i

Bila (I) dan (y) dimasukkan ke persamaan maka diperoleh

)k-1(d f 32

43

0b

M

2473 Poros dengan kombinasi torsi dan bending

Jika poros mendapat beban gabungan torsi dan momen bending

maka poros harus dirancang berdasarkan torsi dan momen bending

secara simultan Dalam kondisi beban gabungan ini ada dua teori

yang dipakai untuk menghitung kegagalan elastik bahan yaitu

1 Teori tegangan geser maksimum atau Guestrsquos theory

Digunakan untuk bahan yang ulet (ductile materials) seperti

mild steel

2 Teori tegangan normal maksimum atau Rankinesrsquotheory

Digunakan untuk bahan yang rapuh (brittle materials) seperti

besi tuang

Merujuk pada teori tegangan geser maksimum maka tegangan

geser maksimum pada poros

22

)( 42

1SbmakS fff

Dimana

fb = tegangan bending akibat momen bending

fs = tegangan geser akibat torsi

29

Bila dimasukkan nilai fb dan fS maka

22

3

2

3

2

3)(

16

164

32

2

1TM

dd

T

d

Mf maks

16

223

)( TMdfatau makS

Menurut pembebanannya maka poros diklasifikasikan ke dalam

beberapa jenis sebagai berikut

a Poros trasmisi merupakan bagian mesin yang berputar biasanya

bentuk penampangnya bulat digunakan untuk memindahkan daya

melalui putaran Penerusan daya dilakukan melalui roda gigi kopling

puli sabuk sprocket rantai

b As atau gandar bentuknya seperti poros tetapi biasanya tidak

berputar tidak memindahkan torsi dan digunakan untuk menumpu

roda yang berputar pulley roda gigi dsb

c Spindle (poros mesin) adalah poros pendek yang merupakan

bagian yang menyatu dengan mesinnya

Hal-hal penting di dalam perhitungan poros

1 Tegangan dan kekuatan

2 Kekuatan

a Kekuatan statis

b Kekuatan kelelahan

c Keandalan

30

3 Defleksi dan ketegaran (rigidity)

a Defleksi bengkok

b Defleksi puntir

c Slope pada bantalan dan elemen-elemen penumpu poros

d Defleksi geser akibat beban melintang pada poros pendek

4 Keterangan-keterangan poros

Di dalam perancangan pada poros kincir angin horizontal pada

umumnya lebih menggunakanbahan poros = S 35 C

248 Roda Gigi atau Gearbox

Roda gigi berfungsi untuk mentransmisikan daya dan putaran yaitu

dari putaran tinggi ke putaran rendah ataupun dari putaran rendah ke

putaran yang lebih tinggi sehingga daya yang dihasilkan dari sudu rotor

dapat ditransmisikan ke beban yang ingin di gerakkan (Sularso Kiyokatsu

Suga Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin)

2481 Perhitungan Dalam Roda Gigi

Dalam merancang roda gigi lurus prosedur berikut dapat

diikuti

Beban tangensial gigi diperoleh dari hubungan berikut

sT CV

PW

4500

31

Dimana

WT = beban tangensial gigi yang diijinkan (kg)

P = daya yang ditransmisikan (hp)

V = kecepatan keliling (mmenit)

(mmenit) 100

NDV

D = pitch diameter (cm)

N = kecepatan putar (rpm)

Cs = service factor (tabel)

Dalam transmisi roda gigi kita mengenal adanya input dan

output juga kita mengenal adanya Efisiensi gear Apabila putaran

keluaran output lebih rendah dari masukan input maka transmisi

disebut reduksi (reduction gear) tetapi apabila keluaran lebih cepat

dari pada masukan maka disebut inkrisi ( increaser gear) Kerjasama

lebih dari dua roda gigi disebut transmisi kereta api (train gear)

Perbadingan input dan output disebut perbandingan putaran

transmisi (speed ratio) dinyatakan dalam notasi i

Speed ratio i = n1 n2 = d2 d1 = z2 z1

Apabila

i lt 1 = transmisi roda gigi inkrisi

32

i gt 1 = transmisi roda gigi reduksi

dimana

n = Kecepatan (rpm)

d = Diameter ( in)

Z = Jumlah gigi

Perbandingan Gear ( Gear Ratio) variabel yang perlu diketahui

z = Jumlah gigi

d = Diameter

n = Kecepatan (speed)

τ = Torsi

2482 Klasifikasi Roda Gigi

Adapun roda gigi diklasifikasikan menurut beberapa hal yaitu

1 Menurut letak poros

2 Menurut bentuk alur gigi

3 Menurut arah putarannya

1 Menurut Letak Poros

Pembagian roda gigi menurut letak porosnya ada tiga macam yaitu

a Roda gigi dengan poros sejajar yaitu roda gigi di mana giginya

berjajar pada dua bidang silinder kedua bidang silinder tersebut

33

bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan

sumbu tetap sejajar Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

sejajar antara lain adalah

Roda gigi lurus

Roda gigi luar

Roda gigi miring

Roda gigi dalam

Roda gigi ganda

Roda gigi pinion

b Roda gigi dengan poros berpotongan yaitu roda gigi dimana giginya

berpotongan pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut

bersinggungan Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

berpotongan antara lain adalah

Roda gigi kerucut lurus

Roda gigi kerucut miring

Roda gigi kerucut spiral

Roda gigi kerucut miring ganda

Roda gigi permukaan

Roda gigi kerucut zerol

34

Gambar 26 Roda Gigi Sejajar Berpotongan dan Menyilang

c Roda gigi dengan poros silang yaitu roda gigi yang kedua sumbunya

saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan

gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan

menggelinding Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros silang

antara lain adalah

Roda gigi cacing silindris

Roda gigi hyperboloid

Roda gigi hipoid

Roda gigi cacing samping

2 Menurut Bentuk Alur Gigi

Pembagian roda gigi menurut bentuk alur giginya dibagi menjadi tiga

macam yaitu

a Roda gigi lurus yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan

sejajar dengan poros

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 8: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

16

Pada penerapannya turbin angin Savonius digunakan pada keperluan

kecil dan sederhana seperti untuk memutar pompa air Turbin angin

Savonius tidak sesuai digunakan untuk pembangkit listrik dikarenakan top

speed ratio dan faktor daya yang relatif rendah Dengan rancangan

aerodinamik yang optimal turbin angin savonius akan mencapai faktor daya

yang terbesar 025 Turbin angin Darrieus dapat digunakan untuk

pembangkit listrik karena memiliki putaran yang lebih tinggi dan faktor

daya yang lebih besar dibandingkan turbin angin Savonius

23 Potensi Angin di Indonesia

Potensi energi angin di Indonesia umumnya berkecepatan lebih dari 5 meter

per detik (ms) Hasil pemetaan Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional

(Lapan) pada 120 lokasi menunjukkan beberapa wilayah memiliki kecepatan

angin di atas 5 mdetik masing-masing Nusa Tenggara Timur Nusa Tenggara

Barat Sulawesi Selatan dan Pantai Selatan Jawa

Adapun kecepatan angin 4 ms hingga 5 ms tergolong berskala menengah

dengan potensi kapasitas 10-100 kW

Gambar 24 Peta Potensi Energi Angin di Indonesia

(sumber httpwwwhijaukucom)

17

Wilayah Indonesia yang berada di sekitar daerah ekuator merupakan daerah

pertemuan sirkulasi Hadley Walker dan lokal Kondisi ini ditengarai memiliki

potensi angin yang dapat dimanfaatkan untuk pengembangan energi terbarukan

sebagai alternatif pembangkit listrik yang selama ini lebih banyak menggunakan

bahan bakar minyak bumi Wilayah Sulawesi dan Maluku terletak di kawasan

Indonesia Timur yang terdiri dari ratusan pulau kecil yang sebagian besar

berpenduduk Seiring perkembangan zaman kebutuhan listrik di daerah tersebut

semakin meningkat untuk memenuhi kebutuhan listrik tersebut di bangun

pembangkit listrik tenaga diesel yang sangat bergantung pada bahan bakar fosil

dan berpotensi menimbulkan polusi terhadap lingkungan

Indonesia negara kepulauan yang 23 wilayahnya adalah lautan dan

mempunyai garis pantai terpanjang di dunia yaitu plusmn 8079142 Km merupakan

wilayah potensial untuk pengembangan pembanglit listrik tenaga angin

Pembangkit Listrik Tenaga Angin (Wind Power) adalah pembangkit yang

memanfaatkan hembusan angin sebagai sumber penghasil listrik Alat utamanya

adalah generator dengan generator tersebut maka dapat dihasilkan arus listrik dari

gerakan bladebaling-baling yang bergerak karena hembusan angin Pembangkit

ini (PLTB) lebih effisien dari pada pembangkit listrik tenaga surya didalam

menghasilkan listrik Pembangkit listrik telah ada dipasaran memiliki kapasitas

Watt per jam 200 400 500 1000 2000 dan 3000 Watt

Umumnya suatu pembangkit listrik tenaga anginbayu (PLTB) terdiri dari

beberapa komponen utama yaitu a) kincir angin b) gear box c) brake system d)

generator dan e) alat penyimpan energi

18

24 Dasar Perancangan Turbin Angin

241 Daya

Angin adalah udara yang bergerak Karena udara mempunyai massa

maka energi yang ditimbulkannya dapat dihitung berdasarkan energi kinetik

yang dirumuskan sebagai berikut

Energi Kinetik Ek = 05 x m x Vsup2 helliphellip(Eric Hau 2005 82)

dimana

m = massa (kg) (1 kg = 22 pounds)

V = kecepatan angin (mdetik) (meter = 3281 feet = 3937 inches)

Maka persamaan energi kinetik diatas menjadi persamaan aliran

Tenaga pada permukaan kincir adalah

P = 05 x ρ x A x Vsup3 helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 84)

dimana

P = tenaga dalam watts (746 watts = 1 hp) (1000 watts = 1 kilowatt)

ρ = massa jenis udara (1225 kgmsup3 pada permukaan laut)

A = permukaan kincir (msup2)

V = kecepatan angin dalam meterdetik (20 mph = 9 mdetik)

(mph224 = mdetik)

Persamaan ini merupakan tenaga dari aliran udara secara bebas Tidak

semua tenaga ini dapat diambil karena ada aliran udara yang lewat melalui

kincir (hanya dinding tegak lurus arah angin yang dapat mengambil 100

19

energi aliran angin) Sehingga kita harus menurunkan persamaan baru yang

lebih praktis untuk kincir angin

Tenaga Kincir Angin

P = 05 x ρ x A x Cp x Vsup3 x Ng x Nb helliphelliphelliphelliphelliphellip

(Eric Hau 2005 82)

dimana

P = tenaga dalam watts (746 watts = 1 hp) (1000 watts = 1 kilowatt)

ρ = massa jenis udara (1225 kgmsup3 pada permukaan laut)

A = permukaan kincir (msup2)

Cp = Koefisien kinerja (maksimum teoritis = 059 [Betz limit] Desain

= 035)

V = kecepatan angin dalam mdetik (20 mph = 9 mdetik)

Ng = efisiensi generator (50 altenator mobil 80 atau lebih utk

permanent magnet generator)

Nb = efisiensi gearboxbearing (jika bagus dapat mencapai 95)

20

242 Power Coefficient dan Tip Ratio

2421 Power Coefficient

Merupakan perbandingan antara daya yang dihasilkan secara

mekanik pada sudu akibat gaya angin terhadap daya yang dihasilkan

oleh gaya lift pada aliran udara Secara matematis hubungan ini dapat

dituliskan

= =

= =

(Erich Hau 2013 559)

dimana

= Koefisien daya

P = Daya mekanik dihasilkan rotor (watt)

= Daya mekanik total yang terkandung dalam angina yang

melalui sudu

ρ = Massa jenis udara (kg )

A = Luas penampang bidang sudu ( )

= Kecepatan aliran udara sebelum melewati sudu rotor (ms)

= Kecepatan aliran udara setelah melewati sudu rotor (ms)

21

Gambar 25 Kecepatan Udara Masuk dan Keluar Turbin

(Sumber httpeprintsundipacid)

Energi yang terkandung pada spin (putaran sudu) akan

mengurangi proporsi penggunaan energi total yang terkandung pada

aliran Secara teori momentum power coefficient dari turbin harus

lebih kecil daripada harga yang ditentukan oleh Belzrsquos (sekitar 0593)

akibat terjadinya losses pada mekanisme gerak turbin angin Power

coefficient bergantung pada rasio antara komponen energi gerak putar

sudu dan gerak rotasi pada aliran udara Rasio ini didefinisikan

sebagai kecepatan tangensial sudu rotor terhadap kecepatan aksial atau

kecepatan angina dan didefinisikan sebagai tip speed ratio () yang

secara umum direkomendasikan pada kecepatan tangensial dari ujung

sudu

2422 Tip Speed Ratio

Tip speed ratio (rasio kecepatan ujung) adalah rasio ujung rotor

terhadap kecepatan angin bebas Untuk kecepatan angin nominal yang

tertentu tip speed ratio akan berpengaruh pada kecepatan rotorTurbin

angin tip lift akan memiliki speed ratio yang lebih besar dibandingkan

22

dengan turbin tipe drag Besarnya tip speed ratio dapat dihitung

dengan persamaan

= helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 84)

dimana

= Tip Speed ratio

D = Diameter rotor (m)

n = Putaran rotor

v = Kecepatan angin (ms)

243 Gaya Horizontal Akibat Kecepatan Angin (kg)

Untuk menghitung energi maksimal angin yaitu dengan rumus sebagai

berikut

P = p A helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 82)

dimana

P = Daya angin (Watt)

ρ = kerapatan udara (kg )

A = Luas penampang blade (msup2)

V = kecepatan angin (ms)

23

Dalam hal ini dibutuhkan gaya drag lift di kali capture area

untuk mengetahui gaya angin yang sesungguhnya maka dapat

dihitung dengan rumus sebagai berikut

= A x Df helliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 86)

dimana

A = Luas Blade ( )

Df = Gaya drag (kg )

Gaya Df adalah gaya yang bekerja menabrak sudu turbin secara

horizontal yang dapat dihitung dengan rumus

Df = P sin szlig (kg )

244 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu

Jumlah sudu dapat ditetapkan berdasarkan harga satuan TSR

sebagaimana tabel berikut ini

Tabel 21 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu Berdasarkan TSR

λ 1 2 3 4 5-8 8-15

B 6-20 4-12 3-6 2-4 2-3 1-2

24

245 Geometri Bilah Sudu

Untuk memudahkan perhitungan jari-jari sudu dibagi menjadi 10

bagian dan diperoleh jari-jari lokal masing-masing bagian dari pusat rotor

adalah sebagai berikut

Tabel 22 Harga Radius Lokal Blade

r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10

02 04 06 08 100 120 140 160 180 200

Untuk menghitung rasio kecepatan lokal digunakan rumus dari

Djoyodihardjo (1983) sebagai berikut

λr1 = λ0

dimana

λr1 = Rasio kecepatan lokal

r = Jari-jari lokal dari pusat rotor (m)

λ0 = Rasio kecepatan ujung

R = Radius baling-baling (m)

25

246 Desain Ekor Pengarah (Tail)

Luas daun ekor pengarah dapat dihitung dengan menggunakan rumus

A 0 = 016 Ar

Dimana

A 0 = Luas daerah ekor pengarah (m2)

Ar = Luas sapuan rotor (m2)

IR = Jarak rotor ke sumbu vertikal menara (m)

IV = Jarak pusat daun ekor ke sumbu vertikal menara (m)

Ar =

247 Perencanaan Poros

Poros perlu dirancang berdasarkan pada

1 Kekuatan (strength)

2 Kekakuan (rigidity)

2471 Poros dengan beban torsi saja

Bila poros mendapat beban momen puntir atau torsi maka

diameter poros bisa diperoleh dengan menggunakan persamaan torsi

r

f

J

T S

Dimana

T = torsi yang bekerja pada poros (kg-cm)

J = momen inersia polar dari luas penampang (cm4)

fs = tegangan geser akibat torsi (kgcm2)

r = jarak dari sumbu netral ke bagian terluar (cm)

26

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

32

4dJ

Sehingga momen puntir pada poros adalah

3 16

dfT S

Untuk poros berongga

) -(32

44

0 iddJ

Dimana

d0 = diameter luar

di = diameter dalam

Dengan mensubstitusikan did0 = k maka didapat

0

i43

0sd

dk )k-(1 d f

16

T

Daya yang ditransmisikan oleh poros dapat diperoleh dari

60

NT2P

Dimana

P = daya (wat)

T = torsi (N-m)

N = kecepatan (rpm)

27

Dalam transmisi belt torsi diberikan dengan persamaan berikut

R)T - ( 21TT

Dimana

T1 = tarikan pada sisi kencang

T2 = tarikan pada sisi kendor

R = radius puli

2472 Poros dengan beban momen bending saja

Bila poros mendapat beban momen bending maka tegangan

maksimum (tarik atau tekan) diberikan oleh persamaan bending

y

f

M b

Dimana

M = momen bending (kg-cm)

I = momen inersia luas penampang terhadap sumbu

putar (cm4)

fb = tegangan bending (kgcm2)

y = jari-jari poros (cm)

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

2

d y dan d

64

4

I

Setelah disubstitusikan didapat

3

b d f 32

M

28

Untuk poros berongga

2

d y )k-1(

64)-(

64

0

0

44

0

44

0 d

dkdddI i

i

Bila (I) dan (y) dimasukkan ke persamaan maka diperoleh

)k-1(d f 32

43

0b

M

2473 Poros dengan kombinasi torsi dan bending

Jika poros mendapat beban gabungan torsi dan momen bending

maka poros harus dirancang berdasarkan torsi dan momen bending

secara simultan Dalam kondisi beban gabungan ini ada dua teori

yang dipakai untuk menghitung kegagalan elastik bahan yaitu

1 Teori tegangan geser maksimum atau Guestrsquos theory

Digunakan untuk bahan yang ulet (ductile materials) seperti

mild steel

2 Teori tegangan normal maksimum atau Rankinesrsquotheory

Digunakan untuk bahan yang rapuh (brittle materials) seperti

besi tuang

Merujuk pada teori tegangan geser maksimum maka tegangan

geser maksimum pada poros

22

)( 42

1SbmakS fff

Dimana

fb = tegangan bending akibat momen bending

fs = tegangan geser akibat torsi

29

Bila dimasukkan nilai fb dan fS maka

22

3

2

3

2

3)(

16

164

32

2

1TM

dd

T

d

Mf maks

16

223

)( TMdfatau makS

Menurut pembebanannya maka poros diklasifikasikan ke dalam

beberapa jenis sebagai berikut

a Poros trasmisi merupakan bagian mesin yang berputar biasanya

bentuk penampangnya bulat digunakan untuk memindahkan daya

melalui putaran Penerusan daya dilakukan melalui roda gigi kopling

puli sabuk sprocket rantai

b As atau gandar bentuknya seperti poros tetapi biasanya tidak

berputar tidak memindahkan torsi dan digunakan untuk menumpu

roda yang berputar pulley roda gigi dsb

c Spindle (poros mesin) adalah poros pendek yang merupakan

bagian yang menyatu dengan mesinnya

Hal-hal penting di dalam perhitungan poros

1 Tegangan dan kekuatan

2 Kekuatan

a Kekuatan statis

b Kekuatan kelelahan

c Keandalan

30

3 Defleksi dan ketegaran (rigidity)

a Defleksi bengkok

b Defleksi puntir

c Slope pada bantalan dan elemen-elemen penumpu poros

d Defleksi geser akibat beban melintang pada poros pendek

4 Keterangan-keterangan poros

Di dalam perancangan pada poros kincir angin horizontal pada

umumnya lebih menggunakanbahan poros = S 35 C

248 Roda Gigi atau Gearbox

Roda gigi berfungsi untuk mentransmisikan daya dan putaran yaitu

dari putaran tinggi ke putaran rendah ataupun dari putaran rendah ke

putaran yang lebih tinggi sehingga daya yang dihasilkan dari sudu rotor

dapat ditransmisikan ke beban yang ingin di gerakkan (Sularso Kiyokatsu

Suga Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin)

2481 Perhitungan Dalam Roda Gigi

Dalam merancang roda gigi lurus prosedur berikut dapat

diikuti

Beban tangensial gigi diperoleh dari hubungan berikut

sT CV

PW

4500

31

Dimana

WT = beban tangensial gigi yang diijinkan (kg)

P = daya yang ditransmisikan (hp)

V = kecepatan keliling (mmenit)

(mmenit) 100

NDV

D = pitch diameter (cm)

N = kecepatan putar (rpm)

Cs = service factor (tabel)

Dalam transmisi roda gigi kita mengenal adanya input dan

output juga kita mengenal adanya Efisiensi gear Apabila putaran

keluaran output lebih rendah dari masukan input maka transmisi

disebut reduksi (reduction gear) tetapi apabila keluaran lebih cepat

dari pada masukan maka disebut inkrisi ( increaser gear) Kerjasama

lebih dari dua roda gigi disebut transmisi kereta api (train gear)

Perbadingan input dan output disebut perbandingan putaran

transmisi (speed ratio) dinyatakan dalam notasi i

Speed ratio i = n1 n2 = d2 d1 = z2 z1

Apabila

i lt 1 = transmisi roda gigi inkrisi

32

i gt 1 = transmisi roda gigi reduksi

dimana

n = Kecepatan (rpm)

d = Diameter ( in)

Z = Jumlah gigi

Perbandingan Gear ( Gear Ratio) variabel yang perlu diketahui

z = Jumlah gigi

d = Diameter

n = Kecepatan (speed)

τ = Torsi

2482 Klasifikasi Roda Gigi

Adapun roda gigi diklasifikasikan menurut beberapa hal yaitu

1 Menurut letak poros

2 Menurut bentuk alur gigi

3 Menurut arah putarannya

1 Menurut Letak Poros

Pembagian roda gigi menurut letak porosnya ada tiga macam yaitu

a Roda gigi dengan poros sejajar yaitu roda gigi di mana giginya

berjajar pada dua bidang silinder kedua bidang silinder tersebut

33

bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan

sumbu tetap sejajar Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

sejajar antara lain adalah

Roda gigi lurus

Roda gigi luar

Roda gigi miring

Roda gigi dalam

Roda gigi ganda

Roda gigi pinion

b Roda gigi dengan poros berpotongan yaitu roda gigi dimana giginya

berpotongan pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut

bersinggungan Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

berpotongan antara lain adalah

Roda gigi kerucut lurus

Roda gigi kerucut miring

Roda gigi kerucut spiral

Roda gigi kerucut miring ganda

Roda gigi permukaan

Roda gigi kerucut zerol

34

Gambar 26 Roda Gigi Sejajar Berpotongan dan Menyilang

c Roda gigi dengan poros silang yaitu roda gigi yang kedua sumbunya

saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan

gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan

menggelinding Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros silang

antara lain adalah

Roda gigi cacing silindris

Roda gigi hyperboloid

Roda gigi hipoid

Roda gigi cacing samping

2 Menurut Bentuk Alur Gigi

Pembagian roda gigi menurut bentuk alur giginya dibagi menjadi tiga

macam yaitu

a Roda gigi lurus yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan

sejajar dengan poros

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 9: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

17

Wilayah Indonesia yang berada di sekitar daerah ekuator merupakan daerah

pertemuan sirkulasi Hadley Walker dan lokal Kondisi ini ditengarai memiliki

potensi angin yang dapat dimanfaatkan untuk pengembangan energi terbarukan

sebagai alternatif pembangkit listrik yang selama ini lebih banyak menggunakan

bahan bakar minyak bumi Wilayah Sulawesi dan Maluku terletak di kawasan

Indonesia Timur yang terdiri dari ratusan pulau kecil yang sebagian besar

berpenduduk Seiring perkembangan zaman kebutuhan listrik di daerah tersebut

semakin meningkat untuk memenuhi kebutuhan listrik tersebut di bangun

pembangkit listrik tenaga diesel yang sangat bergantung pada bahan bakar fosil

dan berpotensi menimbulkan polusi terhadap lingkungan

Indonesia negara kepulauan yang 23 wilayahnya adalah lautan dan

mempunyai garis pantai terpanjang di dunia yaitu plusmn 8079142 Km merupakan

wilayah potensial untuk pengembangan pembanglit listrik tenaga angin

Pembangkit Listrik Tenaga Angin (Wind Power) adalah pembangkit yang

memanfaatkan hembusan angin sebagai sumber penghasil listrik Alat utamanya

adalah generator dengan generator tersebut maka dapat dihasilkan arus listrik dari

gerakan bladebaling-baling yang bergerak karena hembusan angin Pembangkit

ini (PLTB) lebih effisien dari pada pembangkit listrik tenaga surya didalam

menghasilkan listrik Pembangkit listrik telah ada dipasaran memiliki kapasitas

Watt per jam 200 400 500 1000 2000 dan 3000 Watt

Umumnya suatu pembangkit listrik tenaga anginbayu (PLTB) terdiri dari

beberapa komponen utama yaitu a) kincir angin b) gear box c) brake system d)

generator dan e) alat penyimpan energi

18

24 Dasar Perancangan Turbin Angin

241 Daya

Angin adalah udara yang bergerak Karena udara mempunyai massa

maka energi yang ditimbulkannya dapat dihitung berdasarkan energi kinetik

yang dirumuskan sebagai berikut

Energi Kinetik Ek = 05 x m x Vsup2 helliphellip(Eric Hau 2005 82)

dimana

m = massa (kg) (1 kg = 22 pounds)

V = kecepatan angin (mdetik) (meter = 3281 feet = 3937 inches)

Maka persamaan energi kinetik diatas menjadi persamaan aliran

Tenaga pada permukaan kincir adalah

P = 05 x ρ x A x Vsup3 helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 84)

dimana

P = tenaga dalam watts (746 watts = 1 hp) (1000 watts = 1 kilowatt)

ρ = massa jenis udara (1225 kgmsup3 pada permukaan laut)

A = permukaan kincir (msup2)

V = kecepatan angin dalam meterdetik (20 mph = 9 mdetik)

(mph224 = mdetik)

Persamaan ini merupakan tenaga dari aliran udara secara bebas Tidak

semua tenaga ini dapat diambil karena ada aliran udara yang lewat melalui

kincir (hanya dinding tegak lurus arah angin yang dapat mengambil 100

19

energi aliran angin) Sehingga kita harus menurunkan persamaan baru yang

lebih praktis untuk kincir angin

Tenaga Kincir Angin

P = 05 x ρ x A x Cp x Vsup3 x Ng x Nb helliphelliphelliphelliphelliphellip

(Eric Hau 2005 82)

dimana

P = tenaga dalam watts (746 watts = 1 hp) (1000 watts = 1 kilowatt)

ρ = massa jenis udara (1225 kgmsup3 pada permukaan laut)

A = permukaan kincir (msup2)

Cp = Koefisien kinerja (maksimum teoritis = 059 [Betz limit] Desain

= 035)

V = kecepatan angin dalam mdetik (20 mph = 9 mdetik)

Ng = efisiensi generator (50 altenator mobil 80 atau lebih utk

permanent magnet generator)

Nb = efisiensi gearboxbearing (jika bagus dapat mencapai 95)

20

242 Power Coefficient dan Tip Ratio

2421 Power Coefficient

Merupakan perbandingan antara daya yang dihasilkan secara

mekanik pada sudu akibat gaya angin terhadap daya yang dihasilkan

oleh gaya lift pada aliran udara Secara matematis hubungan ini dapat

dituliskan

= =

= =

(Erich Hau 2013 559)

dimana

= Koefisien daya

P = Daya mekanik dihasilkan rotor (watt)

= Daya mekanik total yang terkandung dalam angina yang

melalui sudu

ρ = Massa jenis udara (kg )

A = Luas penampang bidang sudu ( )

= Kecepatan aliran udara sebelum melewati sudu rotor (ms)

= Kecepatan aliran udara setelah melewati sudu rotor (ms)

21

Gambar 25 Kecepatan Udara Masuk dan Keluar Turbin

(Sumber httpeprintsundipacid)

Energi yang terkandung pada spin (putaran sudu) akan

mengurangi proporsi penggunaan energi total yang terkandung pada

aliran Secara teori momentum power coefficient dari turbin harus

lebih kecil daripada harga yang ditentukan oleh Belzrsquos (sekitar 0593)

akibat terjadinya losses pada mekanisme gerak turbin angin Power

coefficient bergantung pada rasio antara komponen energi gerak putar

sudu dan gerak rotasi pada aliran udara Rasio ini didefinisikan

sebagai kecepatan tangensial sudu rotor terhadap kecepatan aksial atau

kecepatan angina dan didefinisikan sebagai tip speed ratio () yang

secara umum direkomendasikan pada kecepatan tangensial dari ujung

sudu

2422 Tip Speed Ratio

Tip speed ratio (rasio kecepatan ujung) adalah rasio ujung rotor

terhadap kecepatan angin bebas Untuk kecepatan angin nominal yang

tertentu tip speed ratio akan berpengaruh pada kecepatan rotorTurbin

angin tip lift akan memiliki speed ratio yang lebih besar dibandingkan

22

dengan turbin tipe drag Besarnya tip speed ratio dapat dihitung

dengan persamaan

= helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 84)

dimana

= Tip Speed ratio

D = Diameter rotor (m)

n = Putaran rotor

v = Kecepatan angin (ms)

243 Gaya Horizontal Akibat Kecepatan Angin (kg)

Untuk menghitung energi maksimal angin yaitu dengan rumus sebagai

berikut

P = p A helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 82)

dimana

P = Daya angin (Watt)

ρ = kerapatan udara (kg )

A = Luas penampang blade (msup2)

V = kecepatan angin (ms)

23

Dalam hal ini dibutuhkan gaya drag lift di kali capture area

untuk mengetahui gaya angin yang sesungguhnya maka dapat

dihitung dengan rumus sebagai berikut

= A x Df helliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 86)

dimana

A = Luas Blade ( )

Df = Gaya drag (kg )

Gaya Df adalah gaya yang bekerja menabrak sudu turbin secara

horizontal yang dapat dihitung dengan rumus

Df = P sin szlig (kg )

244 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu

Jumlah sudu dapat ditetapkan berdasarkan harga satuan TSR

sebagaimana tabel berikut ini

Tabel 21 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu Berdasarkan TSR

λ 1 2 3 4 5-8 8-15

B 6-20 4-12 3-6 2-4 2-3 1-2

24

245 Geometri Bilah Sudu

Untuk memudahkan perhitungan jari-jari sudu dibagi menjadi 10

bagian dan diperoleh jari-jari lokal masing-masing bagian dari pusat rotor

adalah sebagai berikut

Tabel 22 Harga Radius Lokal Blade

r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10

02 04 06 08 100 120 140 160 180 200

Untuk menghitung rasio kecepatan lokal digunakan rumus dari

Djoyodihardjo (1983) sebagai berikut

λr1 = λ0

dimana

λr1 = Rasio kecepatan lokal

r = Jari-jari lokal dari pusat rotor (m)

λ0 = Rasio kecepatan ujung

R = Radius baling-baling (m)

25

246 Desain Ekor Pengarah (Tail)

Luas daun ekor pengarah dapat dihitung dengan menggunakan rumus

A 0 = 016 Ar

Dimana

A 0 = Luas daerah ekor pengarah (m2)

Ar = Luas sapuan rotor (m2)

IR = Jarak rotor ke sumbu vertikal menara (m)

IV = Jarak pusat daun ekor ke sumbu vertikal menara (m)

Ar =

247 Perencanaan Poros

Poros perlu dirancang berdasarkan pada

1 Kekuatan (strength)

2 Kekakuan (rigidity)

2471 Poros dengan beban torsi saja

Bila poros mendapat beban momen puntir atau torsi maka

diameter poros bisa diperoleh dengan menggunakan persamaan torsi

r

f

J

T S

Dimana

T = torsi yang bekerja pada poros (kg-cm)

J = momen inersia polar dari luas penampang (cm4)

fs = tegangan geser akibat torsi (kgcm2)

r = jarak dari sumbu netral ke bagian terluar (cm)

26

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

32

4dJ

Sehingga momen puntir pada poros adalah

3 16

dfT S

Untuk poros berongga

) -(32

44

0 iddJ

Dimana

d0 = diameter luar

di = diameter dalam

Dengan mensubstitusikan did0 = k maka didapat

0

i43

0sd

dk )k-(1 d f

16

T

Daya yang ditransmisikan oleh poros dapat diperoleh dari

60

NT2P

Dimana

P = daya (wat)

T = torsi (N-m)

N = kecepatan (rpm)

27

Dalam transmisi belt torsi diberikan dengan persamaan berikut

R)T - ( 21TT

Dimana

T1 = tarikan pada sisi kencang

T2 = tarikan pada sisi kendor

R = radius puli

2472 Poros dengan beban momen bending saja

Bila poros mendapat beban momen bending maka tegangan

maksimum (tarik atau tekan) diberikan oleh persamaan bending

y

f

M b

Dimana

M = momen bending (kg-cm)

I = momen inersia luas penampang terhadap sumbu

putar (cm4)

fb = tegangan bending (kgcm2)

y = jari-jari poros (cm)

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

2

d y dan d

64

4

I

Setelah disubstitusikan didapat

3

b d f 32

M

28

Untuk poros berongga

2

d y )k-1(

64)-(

64

0

0

44

0

44

0 d

dkdddI i

i

Bila (I) dan (y) dimasukkan ke persamaan maka diperoleh

)k-1(d f 32

43

0b

M

2473 Poros dengan kombinasi torsi dan bending

Jika poros mendapat beban gabungan torsi dan momen bending

maka poros harus dirancang berdasarkan torsi dan momen bending

secara simultan Dalam kondisi beban gabungan ini ada dua teori

yang dipakai untuk menghitung kegagalan elastik bahan yaitu

1 Teori tegangan geser maksimum atau Guestrsquos theory

Digunakan untuk bahan yang ulet (ductile materials) seperti

mild steel

2 Teori tegangan normal maksimum atau Rankinesrsquotheory

Digunakan untuk bahan yang rapuh (brittle materials) seperti

besi tuang

Merujuk pada teori tegangan geser maksimum maka tegangan

geser maksimum pada poros

22

)( 42

1SbmakS fff

Dimana

fb = tegangan bending akibat momen bending

fs = tegangan geser akibat torsi

29

Bila dimasukkan nilai fb dan fS maka

22

3

2

3

2

3)(

16

164

32

2

1TM

dd

T

d

Mf maks

16

223

)( TMdfatau makS

Menurut pembebanannya maka poros diklasifikasikan ke dalam

beberapa jenis sebagai berikut

a Poros trasmisi merupakan bagian mesin yang berputar biasanya

bentuk penampangnya bulat digunakan untuk memindahkan daya

melalui putaran Penerusan daya dilakukan melalui roda gigi kopling

puli sabuk sprocket rantai

b As atau gandar bentuknya seperti poros tetapi biasanya tidak

berputar tidak memindahkan torsi dan digunakan untuk menumpu

roda yang berputar pulley roda gigi dsb

c Spindle (poros mesin) adalah poros pendek yang merupakan

bagian yang menyatu dengan mesinnya

Hal-hal penting di dalam perhitungan poros

1 Tegangan dan kekuatan

2 Kekuatan

a Kekuatan statis

b Kekuatan kelelahan

c Keandalan

30

3 Defleksi dan ketegaran (rigidity)

a Defleksi bengkok

b Defleksi puntir

c Slope pada bantalan dan elemen-elemen penumpu poros

d Defleksi geser akibat beban melintang pada poros pendek

4 Keterangan-keterangan poros

Di dalam perancangan pada poros kincir angin horizontal pada

umumnya lebih menggunakanbahan poros = S 35 C

248 Roda Gigi atau Gearbox

Roda gigi berfungsi untuk mentransmisikan daya dan putaran yaitu

dari putaran tinggi ke putaran rendah ataupun dari putaran rendah ke

putaran yang lebih tinggi sehingga daya yang dihasilkan dari sudu rotor

dapat ditransmisikan ke beban yang ingin di gerakkan (Sularso Kiyokatsu

Suga Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin)

2481 Perhitungan Dalam Roda Gigi

Dalam merancang roda gigi lurus prosedur berikut dapat

diikuti

Beban tangensial gigi diperoleh dari hubungan berikut

sT CV

PW

4500

31

Dimana

WT = beban tangensial gigi yang diijinkan (kg)

P = daya yang ditransmisikan (hp)

V = kecepatan keliling (mmenit)

(mmenit) 100

NDV

D = pitch diameter (cm)

N = kecepatan putar (rpm)

Cs = service factor (tabel)

Dalam transmisi roda gigi kita mengenal adanya input dan

output juga kita mengenal adanya Efisiensi gear Apabila putaran

keluaran output lebih rendah dari masukan input maka transmisi

disebut reduksi (reduction gear) tetapi apabila keluaran lebih cepat

dari pada masukan maka disebut inkrisi ( increaser gear) Kerjasama

lebih dari dua roda gigi disebut transmisi kereta api (train gear)

Perbadingan input dan output disebut perbandingan putaran

transmisi (speed ratio) dinyatakan dalam notasi i

Speed ratio i = n1 n2 = d2 d1 = z2 z1

Apabila

i lt 1 = transmisi roda gigi inkrisi

32

i gt 1 = transmisi roda gigi reduksi

dimana

n = Kecepatan (rpm)

d = Diameter ( in)

Z = Jumlah gigi

Perbandingan Gear ( Gear Ratio) variabel yang perlu diketahui

z = Jumlah gigi

d = Diameter

n = Kecepatan (speed)

τ = Torsi

2482 Klasifikasi Roda Gigi

Adapun roda gigi diklasifikasikan menurut beberapa hal yaitu

1 Menurut letak poros

2 Menurut bentuk alur gigi

3 Menurut arah putarannya

1 Menurut Letak Poros

Pembagian roda gigi menurut letak porosnya ada tiga macam yaitu

a Roda gigi dengan poros sejajar yaitu roda gigi di mana giginya

berjajar pada dua bidang silinder kedua bidang silinder tersebut

33

bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan

sumbu tetap sejajar Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

sejajar antara lain adalah

Roda gigi lurus

Roda gigi luar

Roda gigi miring

Roda gigi dalam

Roda gigi ganda

Roda gigi pinion

b Roda gigi dengan poros berpotongan yaitu roda gigi dimana giginya

berpotongan pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut

bersinggungan Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

berpotongan antara lain adalah

Roda gigi kerucut lurus

Roda gigi kerucut miring

Roda gigi kerucut spiral

Roda gigi kerucut miring ganda

Roda gigi permukaan

Roda gigi kerucut zerol

34

Gambar 26 Roda Gigi Sejajar Berpotongan dan Menyilang

c Roda gigi dengan poros silang yaitu roda gigi yang kedua sumbunya

saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan

gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan

menggelinding Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros silang

antara lain adalah

Roda gigi cacing silindris

Roda gigi hyperboloid

Roda gigi hipoid

Roda gigi cacing samping

2 Menurut Bentuk Alur Gigi

Pembagian roda gigi menurut bentuk alur giginya dibagi menjadi tiga

macam yaitu

a Roda gigi lurus yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan

sejajar dengan poros

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 10: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

18

24 Dasar Perancangan Turbin Angin

241 Daya

Angin adalah udara yang bergerak Karena udara mempunyai massa

maka energi yang ditimbulkannya dapat dihitung berdasarkan energi kinetik

yang dirumuskan sebagai berikut

Energi Kinetik Ek = 05 x m x Vsup2 helliphellip(Eric Hau 2005 82)

dimana

m = massa (kg) (1 kg = 22 pounds)

V = kecepatan angin (mdetik) (meter = 3281 feet = 3937 inches)

Maka persamaan energi kinetik diatas menjadi persamaan aliran

Tenaga pada permukaan kincir adalah

P = 05 x ρ x A x Vsup3 helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 84)

dimana

P = tenaga dalam watts (746 watts = 1 hp) (1000 watts = 1 kilowatt)

ρ = massa jenis udara (1225 kgmsup3 pada permukaan laut)

A = permukaan kincir (msup2)

V = kecepatan angin dalam meterdetik (20 mph = 9 mdetik)

(mph224 = mdetik)

Persamaan ini merupakan tenaga dari aliran udara secara bebas Tidak

semua tenaga ini dapat diambil karena ada aliran udara yang lewat melalui

kincir (hanya dinding tegak lurus arah angin yang dapat mengambil 100

19

energi aliran angin) Sehingga kita harus menurunkan persamaan baru yang

lebih praktis untuk kincir angin

Tenaga Kincir Angin

P = 05 x ρ x A x Cp x Vsup3 x Ng x Nb helliphelliphelliphelliphelliphellip

(Eric Hau 2005 82)

dimana

P = tenaga dalam watts (746 watts = 1 hp) (1000 watts = 1 kilowatt)

ρ = massa jenis udara (1225 kgmsup3 pada permukaan laut)

A = permukaan kincir (msup2)

Cp = Koefisien kinerja (maksimum teoritis = 059 [Betz limit] Desain

= 035)

V = kecepatan angin dalam mdetik (20 mph = 9 mdetik)

Ng = efisiensi generator (50 altenator mobil 80 atau lebih utk

permanent magnet generator)

Nb = efisiensi gearboxbearing (jika bagus dapat mencapai 95)

20

242 Power Coefficient dan Tip Ratio

2421 Power Coefficient

Merupakan perbandingan antara daya yang dihasilkan secara

mekanik pada sudu akibat gaya angin terhadap daya yang dihasilkan

oleh gaya lift pada aliran udara Secara matematis hubungan ini dapat

dituliskan

= =

= =

(Erich Hau 2013 559)

dimana

= Koefisien daya

P = Daya mekanik dihasilkan rotor (watt)

= Daya mekanik total yang terkandung dalam angina yang

melalui sudu

ρ = Massa jenis udara (kg )

A = Luas penampang bidang sudu ( )

= Kecepatan aliran udara sebelum melewati sudu rotor (ms)

= Kecepatan aliran udara setelah melewati sudu rotor (ms)

21

Gambar 25 Kecepatan Udara Masuk dan Keluar Turbin

(Sumber httpeprintsundipacid)

Energi yang terkandung pada spin (putaran sudu) akan

mengurangi proporsi penggunaan energi total yang terkandung pada

aliran Secara teori momentum power coefficient dari turbin harus

lebih kecil daripada harga yang ditentukan oleh Belzrsquos (sekitar 0593)

akibat terjadinya losses pada mekanisme gerak turbin angin Power

coefficient bergantung pada rasio antara komponen energi gerak putar

sudu dan gerak rotasi pada aliran udara Rasio ini didefinisikan

sebagai kecepatan tangensial sudu rotor terhadap kecepatan aksial atau

kecepatan angina dan didefinisikan sebagai tip speed ratio () yang

secara umum direkomendasikan pada kecepatan tangensial dari ujung

sudu

2422 Tip Speed Ratio

Tip speed ratio (rasio kecepatan ujung) adalah rasio ujung rotor

terhadap kecepatan angin bebas Untuk kecepatan angin nominal yang

tertentu tip speed ratio akan berpengaruh pada kecepatan rotorTurbin

angin tip lift akan memiliki speed ratio yang lebih besar dibandingkan

22

dengan turbin tipe drag Besarnya tip speed ratio dapat dihitung

dengan persamaan

= helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 84)

dimana

= Tip Speed ratio

D = Diameter rotor (m)

n = Putaran rotor

v = Kecepatan angin (ms)

243 Gaya Horizontal Akibat Kecepatan Angin (kg)

Untuk menghitung energi maksimal angin yaitu dengan rumus sebagai

berikut

P = p A helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 82)

dimana

P = Daya angin (Watt)

ρ = kerapatan udara (kg )

A = Luas penampang blade (msup2)

V = kecepatan angin (ms)

23

Dalam hal ini dibutuhkan gaya drag lift di kali capture area

untuk mengetahui gaya angin yang sesungguhnya maka dapat

dihitung dengan rumus sebagai berikut

= A x Df helliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 86)

dimana

A = Luas Blade ( )

Df = Gaya drag (kg )

Gaya Df adalah gaya yang bekerja menabrak sudu turbin secara

horizontal yang dapat dihitung dengan rumus

Df = P sin szlig (kg )

244 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu

Jumlah sudu dapat ditetapkan berdasarkan harga satuan TSR

sebagaimana tabel berikut ini

Tabel 21 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu Berdasarkan TSR

λ 1 2 3 4 5-8 8-15

B 6-20 4-12 3-6 2-4 2-3 1-2

24

245 Geometri Bilah Sudu

Untuk memudahkan perhitungan jari-jari sudu dibagi menjadi 10

bagian dan diperoleh jari-jari lokal masing-masing bagian dari pusat rotor

adalah sebagai berikut

Tabel 22 Harga Radius Lokal Blade

r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10

02 04 06 08 100 120 140 160 180 200

Untuk menghitung rasio kecepatan lokal digunakan rumus dari

Djoyodihardjo (1983) sebagai berikut

λr1 = λ0

dimana

λr1 = Rasio kecepatan lokal

r = Jari-jari lokal dari pusat rotor (m)

λ0 = Rasio kecepatan ujung

R = Radius baling-baling (m)

25

246 Desain Ekor Pengarah (Tail)

Luas daun ekor pengarah dapat dihitung dengan menggunakan rumus

A 0 = 016 Ar

Dimana

A 0 = Luas daerah ekor pengarah (m2)

Ar = Luas sapuan rotor (m2)

IR = Jarak rotor ke sumbu vertikal menara (m)

IV = Jarak pusat daun ekor ke sumbu vertikal menara (m)

Ar =

247 Perencanaan Poros

Poros perlu dirancang berdasarkan pada

1 Kekuatan (strength)

2 Kekakuan (rigidity)

2471 Poros dengan beban torsi saja

Bila poros mendapat beban momen puntir atau torsi maka

diameter poros bisa diperoleh dengan menggunakan persamaan torsi

r

f

J

T S

Dimana

T = torsi yang bekerja pada poros (kg-cm)

J = momen inersia polar dari luas penampang (cm4)

fs = tegangan geser akibat torsi (kgcm2)

r = jarak dari sumbu netral ke bagian terluar (cm)

26

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

32

4dJ

Sehingga momen puntir pada poros adalah

3 16

dfT S

Untuk poros berongga

) -(32

44

0 iddJ

Dimana

d0 = diameter luar

di = diameter dalam

Dengan mensubstitusikan did0 = k maka didapat

0

i43

0sd

dk )k-(1 d f

16

T

Daya yang ditransmisikan oleh poros dapat diperoleh dari

60

NT2P

Dimana

P = daya (wat)

T = torsi (N-m)

N = kecepatan (rpm)

27

Dalam transmisi belt torsi diberikan dengan persamaan berikut

R)T - ( 21TT

Dimana

T1 = tarikan pada sisi kencang

T2 = tarikan pada sisi kendor

R = radius puli

2472 Poros dengan beban momen bending saja

Bila poros mendapat beban momen bending maka tegangan

maksimum (tarik atau tekan) diberikan oleh persamaan bending

y

f

M b

Dimana

M = momen bending (kg-cm)

I = momen inersia luas penampang terhadap sumbu

putar (cm4)

fb = tegangan bending (kgcm2)

y = jari-jari poros (cm)

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

2

d y dan d

64

4

I

Setelah disubstitusikan didapat

3

b d f 32

M

28

Untuk poros berongga

2

d y )k-1(

64)-(

64

0

0

44

0

44

0 d

dkdddI i

i

Bila (I) dan (y) dimasukkan ke persamaan maka diperoleh

)k-1(d f 32

43

0b

M

2473 Poros dengan kombinasi torsi dan bending

Jika poros mendapat beban gabungan torsi dan momen bending

maka poros harus dirancang berdasarkan torsi dan momen bending

secara simultan Dalam kondisi beban gabungan ini ada dua teori

yang dipakai untuk menghitung kegagalan elastik bahan yaitu

1 Teori tegangan geser maksimum atau Guestrsquos theory

Digunakan untuk bahan yang ulet (ductile materials) seperti

mild steel

2 Teori tegangan normal maksimum atau Rankinesrsquotheory

Digunakan untuk bahan yang rapuh (brittle materials) seperti

besi tuang

Merujuk pada teori tegangan geser maksimum maka tegangan

geser maksimum pada poros

22

)( 42

1SbmakS fff

Dimana

fb = tegangan bending akibat momen bending

fs = tegangan geser akibat torsi

29

Bila dimasukkan nilai fb dan fS maka

22

3

2

3

2

3)(

16

164

32

2

1TM

dd

T

d

Mf maks

16

223

)( TMdfatau makS

Menurut pembebanannya maka poros diklasifikasikan ke dalam

beberapa jenis sebagai berikut

a Poros trasmisi merupakan bagian mesin yang berputar biasanya

bentuk penampangnya bulat digunakan untuk memindahkan daya

melalui putaran Penerusan daya dilakukan melalui roda gigi kopling

puli sabuk sprocket rantai

b As atau gandar bentuknya seperti poros tetapi biasanya tidak

berputar tidak memindahkan torsi dan digunakan untuk menumpu

roda yang berputar pulley roda gigi dsb

c Spindle (poros mesin) adalah poros pendek yang merupakan

bagian yang menyatu dengan mesinnya

Hal-hal penting di dalam perhitungan poros

1 Tegangan dan kekuatan

2 Kekuatan

a Kekuatan statis

b Kekuatan kelelahan

c Keandalan

30

3 Defleksi dan ketegaran (rigidity)

a Defleksi bengkok

b Defleksi puntir

c Slope pada bantalan dan elemen-elemen penumpu poros

d Defleksi geser akibat beban melintang pada poros pendek

4 Keterangan-keterangan poros

Di dalam perancangan pada poros kincir angin horizontal pada

umumnya lebih menggunakanbahan poros = S 35 C

248 Roda Gigi atau Gearbox

Roda gigi berfungsi untuk mentransmisikan daya dan putaran yaitu

dari putaran tinggi ke putaran rendah ataupun dari putaran rendah ke

putaran yang lebih tinggi sehingga daya yang dihasilkan dari sudu rotor

dapat ditransmisikan ke beban yang ingin di gerakkan (Sularso Kiyokatsu

Suga Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin)

2481 Perhitungan Dalam Roda Gigi

Dalam merancang roda gigi lurus prosedur berikut dapat

diikuti

Beban tangensial gigi diperoleh dari hubungan berikut

sT CV

PW

4500

31

Dimana

WT = beban tangensial gigi yang diijinkan (kg)

P = daya yang ditransmisikan (hp)

V = kecepatan keliling (mmenit)

(mmenit) 100

NDV

D = pitch diameter (cm)

N = kecepatan putar (rpm)

Cs = service factor (tabel)

Dalam transmisi roda gigi kita mengenal adanya input dan

output juga kita mengenal adanya Efisiensi gear Apabila putaran

keluaran output lebih rendah dari masukan input maka transmisi

disebut reduksi (reduction gear) tetapi apabila keluaran lebih cepat

dari pada masukan maka disebut inkrisi ( increaser gear) Kerjasama

lebih dari dua roda gigi disebut transmisi kereta api (train gear)

Perbadingan input dan output disebut perbandingan putaran

transmisi (speed ratio) dinyatakan dalam notasi i

Speed ratio i = n1 n2 = d2 d1 = z2 z1

Apabila

i lt 1 = transmisi roda gigi inkrisi

32

i gt 1 = transmisi roda gigi reduksi

dimana

n = Kecepatan (rpm)

d = Diameter ( in)

Z = Jumlah gigi

Perbandingan Gear ( Gear Ratio) variabel yang perlu diketahui

z = Jumlah gigi

d = Diameter

n = Kecepatan (speed)

τ = Torsi

2482 Klasifikasi Roda Gigi

Adapun roda gigi diklasifikasikan menurut beberapa hal yaitu

1 Menurut letak poros

2 Menurut bentuk alur gigi

3 Menurut arah putarannya

1 Menurut Letak Poros

Pembagian roda gigi menurut letak porosnya ada tiga macam yaitu

a Roda gigi dengan poros sejajar yaitu roda gigi di mana giginya

berjajar pada dua bidang silinder kedua bidang silinder tersebut

33

bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan

sumbu tetap sejajar Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

sejajar antara lain adalah

Roda gigi lurus

Roda gigi luar

Roda gigi miring

Roda gigi dalam

Roda gigi ganda

Roda gigi pinion

b Roda gigi dengan poros berpotongan yaitu roda gigi dimana giginya

berpotongan pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut

bersinggungan Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

berpotongan antara lain adalah

Roda gigi kerucut lurus

Roda gigi kerucut miring

Roda gigi kerucut spiral

Roda gigi kerucut miring ganda

Roda gigi permukaan

Roda gigi kerucut zerol

34

Gambar 26 Roda Gigi Sejajar Berpotongan dan Menyilang

c Roda gigi dengan poros silang yaitu roda gigi yang kedua sumbunya

saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan

gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan

menggelinding Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros silang

antara lain adalah

Roda gigi cacing silindris

Roda gigi hyperboloid

Roda gigi hipoid

Roda gigi cacing samping

2 Menurut Bentuk Alur Gigi

Pembagian roda gigi menurut bentuk alur giginya dibagi menjadi tiga

macam yaitu

a Roda gigi lurus yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan

sejajar dengan poros

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 11: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

19

energi aliran angin) Sehingga kita harus menurunkan persamaan baru yang

lebih praktis untuk kincir angin

Tenaga Kincir Angin

P = 05 x ρ x A x Cp x Vsup3 x Ng x Nb helliphelliphelliphelliphelliphellip

(Eric Hau 2005 82)

dimana

P = tenaga dalam watts (746 watts = 1 hp) (1000 watts = 1 kilowatt)

ρ = massa jenis udara (1225 kgmsup3 pada permukaan laut)

A = permukaan kincir (msup2)

Cp = Koefisien kinerja (maksimum teoritis = 059 [Betz limit] Desain

= 035)

V = kecepatan angin dalam mdetik (20 mph = 9 mdetik)

Ng = efisiensi generator (50 altenator mobil 80 atau lebih utk

permanent magnet generator)

Nb = efisiensi gearboxbearing (jika bagus dapat mencapai 95)

20

242 Power Coefficient dan Tip Ratio

2421 Power Coefficient

Merupakan perbandingan antara daya yang dihasilkan secara

mekanik pada sudu akibat gaya angin terhadap daya yang dihasilkan

oleh gaya lift pada aliran udara Secara matematis hubungan ini dapat

dituliskan

= =

= =

(Erich Hau 2013 559)

dimana

= Koefisien daya

P = Daya mekanik dihasilkan rotor (watt)

= Daya mekanik total yang terkandung dalam angina yang

melalui sudu

ρ = Massa jenis udara (kg )

A = Luas penampang bidang sudu ( )

= Kecepatan aliran udara sebelum melewati sudu rotor (ms)

= Kecepatan aliran udara setelah melewati sudu rotor (ms)

21

Gambar 25 Kecepatan Udara Masuk dan Keluar Turbin

(Sumber httpeprintsundipacid)

Energi yang terkandung pada spin (putaran sudu) akan

mengurangi proporsi penggunaan energi total yang terkandung pada

aliran Secara teori momentum power coefficient dari turbin harus

lebih kecil daripada harga yang ditentukan oleh Belzrsquos (sekitar 0593)

akibat terjadinya losses pada mekanisme gerak turbin angin Power

coefficient bergantung pada rasio antara komponen energi gerak putar

sudu dan gerak rotasi pada aliran udara Rasio ini didefinisikan

sebagai kecepatan tangensial sudu rotor terhadap kecepatan aksial atau

kecepatan angina dan didefinisikan sebagai tip speed ratio () yang

secara umum direkomendasikan pada kecepatan tangensial dari ujung

sudu

2422 Tip Speed Ratio

Tip speed ratio (rasio kecepatan ujung) adalah rasio ujung rotor

terhadap kecepatan angin bebas Untuk kecepatan angin nominal yang

tertentu tip speed ratio akan berpengaruh pada kecepatan rotorTurbin

angin tip lift akan memiliki speed ratio yang lebih besar dibandingkan

22

dengan turbin tipe drag Besarnya tip speed ratio dapat dihitung

dengan persamaan

= helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 84)

dimana

= Tip Speed ratio

D = Diameter rotor (m)

n = Putaran rotor

v = Kecepatan angin (ms)

243 Gaya Horizontal Akibat Kecepatan Angin (kg)

Untuk menghitung energi maksimal angin yaitu dengan rumus sebagai

berikut

P = p A helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 82)

dimana

P = Daya angin (Watt)

ρ = kerapatan udara (kg )

A = Luas penampang blade (msup2)

V = kecepatan angin (ms)

23

Dalam hal ini dibutuhkan gaya drag lift di kali capture area

untuk mengetahui gaya angin yang sesungguhnya maka dapat

dihitung dengan rumus sebagai berikut

= A x Df helliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 86)

dimana

A = Luas Blade ( )

Df = Gaya drag (kg )

Gaya Df adalah gaya yang bekerja menabrak sudu turbin secara

horizontal yang dapat dihitung dengan rumus

Df = P sin szlig (kg )

244 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu

Jumlah sudu dapat ditetapkan berdasarkan harga satuan TSR

sebagaimana tabel berikut ini

Tabel 21 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu Berdasarkan TSR

λ 1 2 3 4 5-8 8-15

B 6-20 4-12 3-6 2-4 2-3 1-2

24

245 Geometri Bilah Sudu

Untuk memudahkan perhitungan jari-jari sudu dibagi menjadi 10

bagian dan diperoleh jari-jari lokal masing-masing bagian dari pusat rotor

adalah sebagai berikut

Tabel 22 Harga Radius Lokal Blade

r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10

02 04 06 08 100 120 140 160 180 200

Untuk menghitung rasio kecepatan lokal digunakan rumus dari

Djoyodihardjo (1983) sebagai berikut

λr1 = λ0

dimana

λr1 = Rasio kecepatan lokal

r = Jari-jari lokal dari pusat rotor (m)

λ0 = Rasio kecepatan ujung

R = Radius baling-baling (m)

25

246 Desain Ekor Pengarah (Tail)

Luas daun ekor pengarah dapat dihitung dengan menggunakan rumus

A 0 = 016 Ar

Dimana

A 0 = Luas daerah ekor pengarah (m2)

Ar = Luas sapuan rotor (m2)

IR = Jarak rotor ke sumbu vertikal menara (m)

IV = Jarak pusat daun ekor ke sumbu vertikal menara (m)

Ar =

247 Perencanaan Poros

Poros perlu dirancang berdasarkan pada

1 Kekuatan (strength)

2 Kekakuan (rigidity)

2471 Poros dengan beban torsi saja

Bila poros mendapat beban momen puntir atau torsi maka

diameter poros bisa diperoleh dengan menggunakan persamaan torsi

r

f

J

T S

Dimana

T = torsi yang bekerja pada poros (kg-cm)

J = momen inersia polar dari luas penampang (cm4)

fs = tegangan geser akibat torsi (kgcm2)

r = jarak dari sumbu netral ke bagian terluar (cm)

26

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

32

4dJ

Sehingga momen puntir pada poros adalah

3 16

dfT S

Untuk poros berongga

) -(32

44

0 iddJ

Dimana

d0 = diameter luar

di = diameter dalam

Dengan mensubstitusikan did0 = k maka didapat

0

i43

0sd

dk )k-(1 d f

16

T

Daya yang ditransmisikan oleh poros dapat diperoleh dari

60

NT2P

Dimana

P = daya (wat)

T = torsi (N-m)

N = kecepatan (rpm)

27

Dalam transmisi belt torsi diberikan dengan persamaan berikut

R)T - ( 21TT

Dimana

T1 = tarikan pada sisi kencang

T2 = tarikan pada sisi kendor

R = radius puli

2472 Poros dengan beban momen bending saja

Bila poros mendapat beban momen bending maka tegangan

maksimum (tarik atau tekan) diberikan oleh persamaan bending

y

f

M b

Dimana

M = momen bending (kg-cm)

I = momen inersia luas penampang terhadap sumbu

putar (cm4)

fb = tegangan bending (kgcm2)

y = jari-jari poros (cm)

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

2

d y dan d

64

4

I

Setelah disubstitusikan didapat

3

b d f 32

M

28

Untuk poros berongga

2

d y )k-1(

64)-(

64

0

0

44

0

44

0 d

dkdddI i

i

Bila (I) dan (y) dimasukkan ke persamaan maka diperoleh

)k-1(d f 32

43

0b

M

2473 Poros dengan kombinasi torsi dan bending

Jika poros mendapat beban gabungan torsi dan momen bending

maka poros harus dirancang berdasarkan torsi dan momen bending

secara simultan Dalam kondisi beban gabungan ini ada dua teori

yang dipakai untuk menghitung kegagalan elastik bahan yaitu

1 Teori tegangan geser maksimum atau Guestrsquos theory

Digunakan untuk bahan yang ulet (ductile materials) seperti

mild steel

2 Teori tegangan normal maksimum atau Rankinesrsquotheory

Digunakan untuk bahan yang rapuh (brittle materials) seperti

besi tuang

Merujuk pada teori tegangan geser maksimum maka tegangan

geser maksimum pada poros

22

)( 42

1SbmakS fff

Dimana

fb = tegangan bending akibat momen bending

fs = tegangan geser akibat torsi

29

Bila dimasukkan nilai fb dan fS maka

22

3

2

3

2

3)(

16

164

32

2

1TM

dd

T

d

Mf maks

16

223

)( TMdfatau makS

Menurut pembebanannya maka poros diklasifikasikan ke dalam

beberapa jenis sebagai berikut

a Poros trasmisi merupakan bagian mesin yang berputar biasanya

bentuk penampangnya bulat digunakan untuk memindahkan daya

melalui putaran Penerusan daya dilakukan melalui roda gigi kopling

puli sabuk sprocket rantai

b As atau gandar bentuknya seperti poros tetapi biasanya tidak

berputar tidak memindahkan torsi dan digunakan untuk menumpu

roda yang berputar pulley roda gigi dsb

c Spindle (poros mesin) adalah poros pendek yang merupakan

bagian yang menyatu dengan mesinnya

Hal-hal penting di dalam perhitungan poros

1 Tegangan dan kekuatan

2 Kekuatan

a Kekuatan statis

b Kekuatan kelelahan

c Keandalan

30

3 Defleksi dan ketegaran (rigidity)

a Defleksi bengkok

b Defleksi puntir

c Slope pada bantalan dan elemen-elemen penumpu poros

d Defleksi geser akibat beban melintang pada poros pendek

4 Keterangan-keterangan poros

Di dalam perancangan pada poros kincir angin horizontal pada

umumnya lebih menggunakanbahan poros = S 35 C

248 Roda Gigi atau Gearbox

Roda gigi berfungsi untuk mentransmisikan daya dan putaran yaitu

dari putaran tinggi ke putaran rendah ataupun dari putaran rendah ke

putaran yang lebih tinggi sehingga daya yang dihasilkan dari sudu rotor

dapat ditransmisikan ke beban yang ingin di gerakkan (Sularso Kiyokatsu

Suga Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin)

2481 Perhitungan Dalam Roda Gigi

Dalam merancang roda gigi lurus prosedur berikut dapat

diikuti

Beban tangensial gigi diperoleh dari hubungan berikut

sT CV

PW

4500

31

Dimana

WT = beban tangensial gigi yang diijinkan (kg)

P = daya yang ditransmisikan (hp)

V = kecepatan keliling (mmenit)

(mmenit) 100

NDV

D = pitch diameter (cm)

N = kecepatan putar (rpm)

Cs = service factor (tabel)

Dalam transmisi roda gigi kita mengenal adanya input dan

output juga kita mengenal adanya Efisiensi gear Apabila putaran

keluaran output lebih rendah dari masukan input maka transmisi

disebut reduksi (reduction gear) tetapi apabila keluaran lebih cepat

dari pada masukan maka disebut inkrisi ( increaser gear) Kerjasama

lebih dari dua roda gigi disebut transmisi kereta api (train gear)

Perbadingan input dan output disebut perbandingan putaran

transmisi (speed ratio) dinyatakan dalam notasi i

Speed ratio i = n1 n2 = d2 d1 = z2 z1

Apabila

i lt 1 = transmisi roda gigi inkrisi

32

i gt 1 = transmisi roda gigi reduksi

dimana

n = Kecepatan (rpm)

d = Diameter ( in)

Z = Jumlah gigi

Perbandingan Gear ( Gear Ratio) variabel yang perlu diketahui

z = Jumlah gigi

d = Diameter

n = Kecepatan (speed)

τ = Torsi

2482 Klasifikasi Roda Gigi

Adapun roda gigi diklasifikasikan menurut beberapa hal yaitu

1 Menurut letak poros

2 Menurut bentuk alur gigi

3 Menurut arah putarannya

1 Menurut Letak Poros

Pembagian roda gigi menurut letak porosnya ada tiga macam yaitu

a Roda gigi dengan poros sejajar yaitu roda gigi di mana giginya

berjajar pada dua bidang silinder kedua bidang silinder tersebut

33

bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan

sumbu tetap sejajar Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

sejajar antara lain adalah

Roda gigi lurus

Roda gigi luar

Roda gigi miring

Roda gigi dalam

Roda gigi ganda

Roda gigi pinion

b Roda gigi dengan poros berpotongan yaitu roda gigi dimana giginya

berpotongan pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut

bersinggungan Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

berpotongan antara lain adalah

Roda gigi kerucut lurus

Roda gigi kerucut miring

Roda gigi kerucut spiral

Roda gigi kerucut miring ganda

Roda gigi permukaan

Roda gigi kerucut zerol

34

Gambar 26 Roda Gigi Sejajar Berpotongan dan Menyilang

c Roda gigi dengan poros silang yaitu roda gigi yang kedua sumbunya

saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan

gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan

menggelinding Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros silang

antara lain adalah

Roda gigi cacing silindris

Roda gigi hyperboloid

Roda gigi hipoid

Roda gigi cacing samping

2 Menurut Bentuk Alur Gigi

Pembagian roda gigi menurut bentuk alur giginya dibagi menjadi tiga

macam yaitu

a Roda gigi lurus yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan

sejajar dengan poros

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 12: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

20

242 Power Coefficient dan Tip Ratio

2421 Power Coefficient

Merupakan perbandingan antara daya yang dihasilkan secara

mekanik pada sudu akibat gaya angin terhadap daya yang dihasilkan

oleh gaya lift pada aliran udara Secara matematis hubungan ini dapat

dituliskan

= =

= =

(Erich Hau 2013 559)

dimana

= Koefisien daya

P = Daya mekanik dihasilkan rotor (watt)

= Daya mekanik total yang terkandung dalam angina yang

melalui sudu

ρ = Massa jenis udara (kg )

A = Luas penampang bidang sudu ( )

= Kecepatan aliran udara sebelum melewati sudu rotor (ms)

= Kecepatan aliran udara setelah melewati sudu rotor (ms)

21

Gambar 25 Kecepatan Udara Masuk dan Keluar Turbin

(Sumber httpeprintsundipacid)

Energi yang terkandung pada spin (putaran sudu) akan

mengurangi proporsi penggunaan energi total yang terkandung pada

aliran Secara teori momentum power coefficient dari turbin harus

lebih kecil daripada harga yang ditentukan oleh Belzrsquos (sekitar 0593)

akibat terjadinya losses pada mekanisme gerak turbin angin Power

coefficient bergantung pada rasio antara komponen energi gerak putar

sudu dan gerak rotasi pada aliran udara Rasio ini didefinisikan

sebagai kecepatan tangensial sudu rotor terhadap kecepatan aksial atau

kecepatan angina dan didefinisikan sebagai tip speed ratio () yang

secara umum direkomendasikan pada kecepatan tangensial dari ujung

sudu

2422 Tip Speed Ratio

Tip speed ratio (rasio kecepatan ujung) adalah rasio ujung rotor

terhadap kecepatan angin bebas Untuk kecepatan angin nominal yang

tertentu tip speed ratio akan berpengaruh pada kecepatan rotorTurbin

angin tip lift akan memiliki speed ratio yang lebih besar dibandingkan

22

dengan turbin tipe drag Besarnya tip speed ratio dapat dihitung

dengan persamaan

= helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 84)

dimana

= Tip Speed ratio

D = Diameter rotor (m)

n = Putaran rotor

v = Kecepatan angin (ms)

243 Gaya Horizontal Akibat Kecepatan Angin (kg)

Untuk menghitung energi maksimal angin yaitu dengan rumus sebagai

berikut

P = p A helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 82)

dimana

P = Daya angin (Watt)

ρ = kerapatan udara (kg )

A = Luas penampang blade (msup2)

V = kecepatan angin (ms)

23

Dalam hal ini dibutuhkan gaya drag lift di kali capture area

untuk mengetahui gaya angin yang sesungguhnya maka dapat

dihitung dengan rumus sebagai berikut

= A x Df helliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 86)

dimana

A = Luas Blade ( )

Df = Gaya drag (kg )

Gaya Df adalah gaya yang bekerja menabrak sudu turbin secara

horizontal yang dapat dihitung dengan rumus

Df = P sin szlig (kg )

244 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu

Jumlah sudu dapat ditetapkan berdasarkan harga satuan TSR

sebagaimana tabel berikut ini

Tabel 21 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu Berdasarkan TSR

λ 1 2 3 4 5-8 8-15

B 6-20 4-12 3-6 2-4 2-3 1-2

24

245 Geometri Bilah Sudu

Untuk memudahkan perhitungan jari-jari sudu dibagi menjadi 10

bagian dan diperoleh jari-jari lokal masing-masing bagian dari pusat rotor

adalah sebagai berikut

Tabel 22 Harga Radius Lokal Blade

r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10

02 04 06 08 100 120 140 160 180 200

Untuk menghitung rasio kecepatan lokal digunakan rumus dari

Djoyodihardjo (1983) sebagai berikut

λr1 = λ0

dimana

λr1 = Rasio kecepatan lokal

r = Jari-jari lokal dari pusat rotor (m)

λ0 = Rasio kecepatan ujung

R = Radius baling-baling (m)

25

246 Desain Ekor Pengarah (Tail)

Luas daun ekor pengarah dapat dihitung dengan menggunakan rumus

A 0 = 016 Ar

Dimana

A 0 = Luas daerah ekor pengarah (m2)

Ar = Luas sapuan rotor (m2)

IR = Jarak rotor ke sumbu vertikal menara (m)

IV = Jarak pusat daun ekor ke sumbu vertikal menara (m)

Ar =

247 Perencanaan Poros

Poros perlu dirancang berdasarkan pada

1 Kekuatan (strength)

2 Kekakuan (rigidity)

2471 Poros dengan beban torsi saja

Bila poros mendapat beban momen puntir atau torsi maka

diameter poros bisa diperoleh dengan menggunakan persamaan torsi

r

f

J

T S

Dimana

T = torsi yang bekerja pada poros (kg-cm)

J = momen inersia polar dari luas penampang (cm4)

fs = tegangan geser akibat torsi (kgcm2)

r = jarak dari sumbu netral ke bagian terluar (cm)

26

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

32

4dJ

Sehingga momen puntir pada poros adalah

3 16

dfT S

Untuk poros berongga

) -(32

44

0 iddJ

Dimana

d0 = diameter luar

di = diameter dalam

Dengan mensubstitusikan did0 = k maka didapat

0

i43

0sd

dk )k-(1 d f

16

T

Daya yang ditransmisikan oleh poros dapat diperoleh dari

60

NT2P

Dimana

P = daya (wat)

T = torsi (N-m)

N = kecepatan (rpm)

27

Dalam transmisi belt torsi diberikan dengan persamaan berikut

R)T - ( 21TT

Dimana

T1 = tarikan pada sisi kencang

T2 = tarikan pada sisi kendor

R = radius puli

2472 Poros dengan beban momen bending saja

Bila poros mendapat beban momen bending maka tegangan

maksimum (tarik atau tekan) diberikan oleh persamaan bending

y

f

M b

Dimana

M = momen bending (kg-cm)

I = momen inersia luas penampang terhadap sumbu

putar (cm4)

fb = tegangan bending (kgcm2)

y = jari-jari poros (cm)

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

2

d y dan d

64

4

I

Setelah disubstitusikan didapat

3

b d f 32

M

28

Untuk poros berongga

2

d y )k-1(

64)-(

64

0

0

44

0

44

0 d

dkdddI i

i

Bila (I) dan (y) dimasukkan ke persamaan maka diperoleh

)k-1(d f 32

43

0b

M

2473 Poros dengan kombinasi torsi dan bending

Jika poros mendapat beban gabungan torsi dan momen bending

maka poros harus dirancang berdasarkan torsi dan momen bending

secara simultan Dalam kondisi beban gabungan ini ada dua teori

yang dipakai untuk menghitung kegagalan elastik bahan yaitu

1 Teori tegangan geser maksimum atau Guestrsquos theory

Digunakan untuk bahan yang ulet (ductile materials) seperti

mild steel

2 Teori tegangan normal maksimum atau Rankinesrsquotheory

Digunakan untuk bahan yang rapuh (brittle materials) seperti

besi tuang

Merujuk pada teori tegangan geser maksimum maka tegangan

geser maksimum pada poros

22

)( 42

1SbmakS fff

Dimana

fb = tegangan bending akibat momen bending

fs = tegangan geser akibat torsi

29

Bila dimasukkan nilai fb dan fS maka

22

3

2

3

2

3)(

16

164

32

2

1TM

dd

T

d

Mf maks

16

223

)( TMdfatau makS

Menurut pembebanannya maka poros diklasifikasikan ke dalam

beberapa jenis sebagai berikut

a Poros trasmisi merupakan bagian mesin yang berputar biasanya

bentuk penampangnya bulat digunakan untuk memindahkan daya

melalui putaran Penerusan daya dilakukan melalui roda gigi kopling

puli sabuk sprocket rantai

b As atau gandar bentuknya seperti poros tetapi biasanya tidak

berputar tidak memindahkan torsi dan digunakan untuk menumpu

roda yang berputar pulley roda gigi dsb

c Spindle (poros mesin) adalah poros pendek yang merupakan

bagian yang menyatu dengan mesinnya

Hal-hal penting di dalam perhitungan poros

1 Tegangan dan kekuatan

2 Kekuatan

a Kekuatan statis

b Kekuatan kelelahan

c Keandalan

30

3 Defleksi dan ketegaran (rigidity)

a Defleksi bengkok

b Defleksi puntir

c Slope pada bantalan dan elemen-elemen penumpu poros

d Defleksi geser akibat beban melintang pada poros pendek

4 Keterangan-keterangan poros

Di dalam perancangan pada poros kincir angin horizontal pada

umumnya lebih menggunakanbahan poros = S 35 C

248 Roda Gigi atau Gearbox

Roda gigi berfungsi untuk mentransmisikan daya dan putaran yaitu

dari putaran tinggi ke putaran rendah ataupun dari putaran rendah ke

putaran yang lebih tinggi sehingga daya yang dihasilkan dari sudu rotor

dapat ditransmisikan ke beban yang ingin di gerakkan (Sularso Kiyokatsu

Suga Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin)

2481 Perhitungan Dalam Roda Gigi

Dalam merancang roda gigi lurus prosedur berikut dapat

diikuti

Beban tangensial gigi diperoleh dari hubungan berikut

sT CV

PW

4500

31

Dimana

WT = beban tangensial gigi yang diijinkan (kg)

P = daya yang ditransmisikan (hp)

V = kecepatan keliling (mmenit)

(mmenit) 100

NDV

D = pitch diameter (cm)

N = kecepatan putar (rpm)

Cs = service factor (tabel)

Dalam transmisi roda gigi kita mengenal adanya input dan

output juga kita mengenal adanya Efisiensi gear Apabila putaran

keluaran output lebih rendah dari masukan input maka transmisi

disebut reduksi (reduction gear) tetapi apabila keluaran lebih cepat

dari pada masukan maka disebut inkrisi ( increaser gear) Kerjasama

lebih dari dua roda gigi disebut transmisi kereta api (train gear)

Perbadingan input dan output disebut perbandingan putaran

transmisi (speed ratio) dinyatakan dalam notasi i

Speed ratio i = n1 n2 = d2 d1 = z2 z1

Apabila

i lt 1 = transmisi roda gigi inkrisi

32

i gt 1 = transmisi roda gigi reduksi

dimana

n = Kecepatan (rpm)

d = Diameter ( in)

Z = Jumlah gigi

Perbandingan Gear ( Gear Ratio) variabel yang perlu diketahui

z = Jumlah gigi

d = Diameter

n = Kecepatan (speed)

τ = Torsi

2482 Klasifikasi Roda Gigi

Adapun roda gigi diklasifikasikan menurut beberapa hal yaitu

1 Menurut letak poros

2 Menurut bentuk alur gigi

3 Menurut arah putarannya

1 Menurut Letak Poros

Pembagian roda gigi menurut letak porosnya ada tiga macam yaitu

a Roda gigi dengan poros sejajar yaitu roda gigi di mana giginya

berjajar pada dua bidang silinder kedua bidang silinder tersebut

33

bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan

sumbu tetap sejajar Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

sejajar antara lain adalah

Roda gigi lurus

Roda gigi luar

Roda gigi miring

Roda gigi dalam

Roda gigi ganda

Roda gigi pinion

b Roda gigi dengan poros berpotongan yaitu roda gigi dimana giginya

berpotongan pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut

bersinggungan Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

berpotongan antara lain adalah

Roda gigi kerucut lurus

Roda gigi kerucut miring

Roda gigi kerucut spiral

Roda gigi kerucut miring ganda

Roda gigi permukaan

Roda gigi kerucut zerol

34

Gambar 26 Roda Gigi Sejajar Berpotongan dan Menyilang

c Roda gigi dengan poros silang yaitu roda gigi yang kedua sumbunya

saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan

gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan

menggelinding Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros silang

antara lain adalah

Roda gigi cacing silindris

Roda gigi hyperboloid

Roda gigi hipoid

Roda gigi cacing samping

2 Menurut Bentuk Alur Gigi

Pembagian roda gigi menurut bentuk alur giginya dibagi menjadi tiga

macam yaitu

a Roda gigi lurus yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan

sejajar dengan poros

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 13: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

21

Gambar 25 Kecepatan Udara Masuk dan Keluar Turbin

(Sumber httpeprintsundipacid)

Energi yang terkandung pada spin (putaran sudu) akan

mengurangi proporsi penggunaan energi total yang terkandung pada

aliran Secara teori momentum power coefficient dari turbin harus

lebih kecil daripada harga yang ditentukan oleh Belzrsquos (sekitar 0593)

akibat terjadinya losses pada mekanisme gerak turbin angin Power

coefficient bergantung pada rasio antara komponen energi gerak putar

sudu dan gerak rotasi pada aliran udara Rasio ini didefinisikan

sebagai kecepatan tangensial sudu rotor terhadap kecepatan aksial atau

kecepatan angina dan didefinisikan sebagai tip speed ratio () yang

secara umum direkomendasikan pada kecepatan tangensial dari ujung

sudu

2422 Tip Speed Ratio

Tip speed ratio (rasio kecepatan ujung) adalah rasio ujung rotor

terhadap kecepatan angin bebas Untuk kecepatan angin nominal yang

tertentu tip speed ratio akan berpengaruh pada kecepatan rotorTurbin

angin tip lift akan memiliki speed ratio yang lebih besar dibandingkan

22

dengan turbin tipe drag Besarnya tip speed ratio dapat dihitung

dengan persamaan

= helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 84)

dimana

= Tip Speed ratio

D = Diameter rotor (m)

n = Putaran rotor

v = Kecepatan angin (ms)

243 Gaya Horizontal Akibat Kecepatan Angin (kg)

Untuk menghitung energi maksimal angin yaitu dengan rumus sebagai

berikut

P = p A helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 82)

dimana

P = Daya angin (Watt)

ρ = kerapatan udara (kg )

A = Luas penampang blade (msup2)

V = kecepatan angin (ms)

23

Dalam hal ini dibutuhkan gaya drag lift di kali capture area

untuk mengetahui gaya angin yang sesungguhnya maka dapat

dihitung dengan rumus sebagai berikut

= A x Df helliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 86)

dimana

A = Luas Blade ( )

Df = Gaya drag (kg )

Gaya Df adalah gaya yang bekerja menabrak sudu turbin secara

horizontal yang dapat dihitung dengan rumus

Df = P sin szlig (kg )

244 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu

Jumlah sudu dapat ditetapkan berdasarkan harga satuan TSR

sebagaimana tabel berikut ini

Tabel 21 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu Berdasarkan TSR

λ 1 2 3 4 5-8 8-15

B 6-20 4-12 3-6 2-4 2-3 1-2

24

245 Geometri Bilah Sudu

Untuk memudahkan perhitungan jari-jari sudu dibagi menjadi 10

bagian dan diperoleh jari-jari lokal masing-masing bagian dari pusat rotor

adalah sebagai berikut

Tabel 22 Harga Radius Lokal Blade

r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10

02 04 06 08 100 120 140 160 180 200

Untuk menghitung rasio kecepatan lokal digunakan rumus dari

Djoyodihardjo (1983) sebagai berikut

λr1 = λ0

dimana

λr1 = Rasio kecepatan lokal

r = Jari-jari lokal dari pusat rotor (m)

λ0 = Rasio kecepatan ujung

R = Radius baling-baling (m)

25

246 Desain Ekor Pengarah (Tail)

Luas daun ekor pengarah dapat dihitung dengan menggunakan rumus

A 0 = 016 Ar

Dimana

A 0 = Luas daerah ekor pengarah (m2)

Ar = Luas sapuan rotor (m2)

IR = Jarak rotor ke sumbu vertikal menara (m)

IV = Jarak pusat daun ekor ke sumbu vertikal menara (m)

Ar =

247 Perencanaan Poros

Poros perlu dirancang berdasarkan pada

1 Kekuatan (strength)

2 Kekakuan (rigidity)

2471 Poros dengan beban torsi saja

Bila poros mendapat beban momen puntir atau torsi maka

diameter poros bisa diperoleh dengan menggunakan persamaan torsi

r

f

J

T S

Dimana

T = torsi yang bekerja pada poros (kg-cm)

J = momen inersia polar dari luas penampang (cm4)

fs = tegangan geser akibat torsi (kgcm2)

r = jarak dari sumbu netral ke bagian terluar (cm)

26

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

32

4dJ

Sehingga momen puntir pada poros adalah

3 16

dfT S

Untuk poros berongga

) -(32

44

0 iddJ

Dimana

d0 = diameter luar

di = diameter dalam

Dengan mensubstitusikan did0 = k maka didapat

0

i43

0sd

dk )k-(1 d f

16

T

Daya yang ditransmisikan oleh poros dapat diperoleh dari

60

NT2P

Dimana

P = daya (wat)

T = torsi (N-m)

N = kecepatan (rpm)

27

Dalam transmisi belt torsi diberikan dengan persamaan berikut

R)T - ( 21TT

Dimana

T1 = tarikan pada sisi kencang

T2 = tarikan pada sisi kendor

R = radius puli

2472 Poros dengan beban momen bending saja

Bila poros mendapat beban momen bending maka tegangan

maksimum (tarik atau tekan) diberikan oleh persamaan bending

y

f

M b

Dimana

M = momen bending (kg-cm)

I = momen inersia luas penampang terhadap sumbu

putar (cm4)

fb = tegangan bending (kgcm2)

y = jari-jari poros (cm)

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

2

d y dan d

64

4

I

Setelah disubstitusikan didapat

3

b d f 32

M

28

Untuk poros berongga

2

d y )k-1(

64)-(

64

0

0

44

0

44

0 d

dkdddI i

i

Bila (I) dan (y) dimasukkan ke persamaan maka diperoleh

)k-1(d f 32

43

0b

M

2473 Poros dengan kombinasi torsi dan bending

Jika poros mendapat beban gabungan torsi dan momen bending

maka poros harus dirancang berdasarkan torsi dan momen bending

secara simultan Dalam kondisi beban gabungan ini ada dua teori

yang dipakai untuk menghitung kegagalan elastik bahan yaitu

1 Teori tegangan geser maksimum atau Guestrsquos theory

Digunakan untuk bahan yang ulet (ductile materials) seperti

mild steel

2 Teori tegangan normal maksimum atau Rankinesrsquotheory

Digunakan untuk bahan yang rapuh (brittle materials) seperti

besi tuang

Merujuk pada teori tegangan geser maksimum maka tegangan

geser maksimum pada poros

22

)( 42

1SbmakS fff

Dimana

fb = tegangan bending akibat momen bending

fs = tegangan geser akibat torsi

29

Bila dimasukkan nilai fb dan fS maka

22

3

2

3

2

3)(

16

164

32

2

1TM

dd

T

d

Mf maks

16

223

)( TMdfatau makS

Menurut pembebanannya maka poros diklasifikasikan ke dalam

beberapa jenis sebagai berikut

a Poros trasmisi merupakan bagian mesin yang berputar biasanya

bentuk penampangnya bulat digunakan untuk memindahkan daya

melalui putaran Penerusan daya dilakukan melalui roda gigi kopling

puli sabuk sprocket rantai

b As atau gandar bentuknya seperti poros tetapi biasanya tidak

berputar tidak memindahkan torsi dan digunakan untuk menumpu

roda yang berputar pulley roda gigi dsb

c Spindle (poros mesin) adalah poros pendek yang merupakan

bagian yang menyatu dengan mesinnya

Hal-hal penting di dalam perhitungan poros

1 Tegangan dan kekuatan

2 Kekuatan

a Kekuatan statis

b Kekuatan kelelahan

c Keandalan

30

3 Defleksi dan ketegaran (rigidity)

a Defleksi bengkok

b Defleksi puntir

c Slope pada bantalan dan elemen-elemen penumpu poros

d Defleksi geser akibat beban melintang pada poros pendek

4 Keterangan-keterangan poros

Di dalam perancangan pada poros kincir angin horizontal pada

umumnya lebih menggunakanbahan poros = S 35 C

248 Roda Gigi atau Gearbox

Roda gigi berfungsi untuk mentransmisikan daya dan putaran yaitu

dari putaran tinggi ke putaran rendah ataupun dari putaran rendah ke

putaran yang lebih tinggi sehingga daya yang dihasilkan dari sudu rotor

dapat ditransmisikan ke beban yang ingin di gerakkan (Sularso Kiyokatsu

Suga Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin)

2481 Perhitungan Dalam Roda Gigi

Dalam merancang roda gigi lurus prosedur berikut dapat

diikuti

Beban tangensial gigi diperoleh dari hubungan berikut

sT CV

PW

4500

31

Dimana

WT = beban tangensial gigi yang diijinkan (kg)

P = daya yang ditransmisikan (hp)

V = kecepatan keliling (mmenit)

(mmenit) 100

NDV

D = pitch diameter (cm)

N = kecepatan putar (rpm)

Cs = service factor (tabel)

Dalam transmisi roda gigi kita mengenal adanya input dan

output juga kita mengenal adanya Efisiensi gear Apabila putaran

keluaran output lebih rendah dari masukan input maka transmisi

disebut reduksi (reduction gear) tetapi apabila keluaran lebih cepat

dari pada masukan maka disebut inkrisi ( increaser gear) Kerjasama

lebih dari dua roda gigi disebut transmisi kereta api (train gear)

Perbadingan input dan output disebut perbandingan putaran

transmisi (speed ratio) dinyatakan dalam notasi i

Speed ratio i = n1 n2 = d2 d1 = z2 z1

Apabila

i lt 1 = transmisi roda gigi inkrisi

32

i gt 1 = transmisi roda gigi reduksi

dimana

n = Kecepatan (rpm)

d = Diameter ( in)

Z = Jumlah gigi

Perbandingan Gear ( Gear Ratio) variabel yang perlu diketahui

z = Jumlah gigi

d = Diameter

n = Kecepatan (speed)

τ = Torsi

2482 Klasifikasi Roda Gigi

Adapun roda gigi diklasifikasikan menurut beberapa hal yaitu

1 Menurut letak poros

2 Menurut bentuk alur gigi

3 Menurut arah putarannya

1 Menurut Letak Poros

Pembagian roda gigi menurut letak porosnya ada tiga macam yaitu

a Roda gigi dengan poros sejajar yaitu roda gigi di mana giginya

berjajar pada dua bidang silinder kedua bidang silinder tersebut

33

bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan

sumbu tetap sejajar Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

sejajar antara lain adalah

Roda gigi lurus

Roda gigi luar

Roda gigi miring

Roda gigi dalam

Roda gigi ganda

Roda gigi pinion

b Roda gigi dengan poros berpotongan yaitu roda gigi dimana giginya

berpotongan pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut

bersinggungan Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

berpotongan antara lain adalah

Roda gigi kerucut lurus

Roda gigi kerucut miring

Roda gigi kerucut spiral

Roda gigi kerucut miring ganda

Roda gigi permukaan

Roda gigi kerucut zerol

34

Gambar 26 Roda Gigi Sejajar Berpotongan dan Menyilang

c Roda gigi dengan poros silang yaitu roda gigi yang kedua sumbunya

saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan

gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan

menggelinding Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros silang

antara lain adalah

Roda gigi cacing silindris

Roda gigi hyperboloid

Roda gigi hipoid

Roda gigi cacing samping

2 Menurut Bentuk Alur Gigi

Pembagian roda gigi menurut bentuk alur giginya dibagi menjadi tiga

macam yaitu

a Roda gigi lurus yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan

sejajar dengan poros

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 14: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

22

dengan turbin tipe drag Besarnya tip speed ratio dapat dihitung

dengan persamaan

= helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 84)

dimana

= Tip Speed ratio

D = Diameter rotor (m)

n = Putaran rotor

v = Kecepatan angin (ms)

243 Gaya Horizontal Akibat Kecepatan Angin (kg)

Untuk menghitung energi maksimal angin yaitu dengan rumus sebagai

berikut

P = p A helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 82)

dimana

P = Daya angin (Watt)

ρ = kerapatan udara (kg )

A = Luas penampang blade (msup2)

V = kecepatan angin (ms)

23

Dalam hal ini dibutuhkan gaya drag lift di kali capture area

untuk mengetahui gaya angin yang sesungguhnya maka dapat

dihitung dengan rumus sebagai berikut

= A x Df helliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 86)

dimana

A = Luas Blade ( )

Df = Gaya drag (kg )

Gaya Df adalah gaya yang bekerja menabrak sudu turbin secara

horizontal yang dapat dihitung dengan rumus

Df = P sin szlig (kg )

244 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu

Jumlah sudu dapat ditetapkan berdasarkan harga satuan TSR

sebagaimana tabel berikut ini

Tabel 21 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu Berdasarkan TSR

λ 1 2 3 4 5-8 8-15

B 6-20 4-12 3-6 2-4 2-3 1-2

24

245 Geometri Bilah Sudu

Untuk memudahkan perhitungan jari-jari sudu dibagi menjadi 10

bagian dan diperoleh jari-jari lokal masing-masing bagian dari pusat rotor

adalah sebagai berikut

Tabel 22 Harga Radius Lokal Blade

r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10

02 04 06 08 100 120 140 160 180 200

Untuk menghitung rasio kecepatan lokal digunakan rumus dari

Djoyodihardjo (1983) sebagai berikut

λr1 = λ0

dimana

λr1 = Rasio kecepatan lokal

r = Jari-jari lokal dari pusat rotor (m)

λ0 = Rasio kecepatan ujung

R = Radius baling-baling (m)

25

246 Desain Ekor Pengarah (Tail)

Luas daun ekor pengarah dapat dihitung dengan menggunakan rumus

A 0 = 016 Ar

Dimana

A 0 = Luas daerah ekor pengarah (m2)

Ar = Luas sapuan rotor (m2)

IR = Jarak rotor ke sumbu vertikal menara (m)

IV = Jarak pusat daun ekor ke sumbu vertikal menara (m)

Ar =

247 Perencanaan Poros

Poros perlu dirancang berdasarkan pada

1 Kekuatan (strength)

2 Kekakuan (rigidity)

2471 Poros dengan beban torsi saja

Bila poros mendapat beban momen puntir atau torsi maka

diameter poros bisa diperoleh dengan menggunakan persamaan torsi

r

f

J

T S

Dimana

T = torsi yang bekerja pada poros (kg-cm)

J = momen inersia polar dari luas penampang (cm4)

fs = tegangan geser akibat torsi (kgcm2)

r = jarak dari sumbu netral ke bagian terluar (cm)

26

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

32

4dJ

Sehingga momen puntir pada poros adalah

3 16

dfT S

Untuk poros berongga

) -(32

44

0 iddJ

Dimana

d0 = diameter luar

di = diameter dalam

Dengan mensubstitusikan did0 = k maka didapat

0

i43

0sd

dk )k-(1 d f

16

T

Daya yang ditransmisikan oleh poros dapat diperoleh dari

60

NT2P

Dimana

P = daya (wat)

T = torsi (N-m)

N = kecepatan (rpm)

27

Dalam transmisi belt torsi diberikan dengan persamaan berikut

R)T - ( 21TT

Dimana

T1 = tarikan pada sisi kencang

T2 = tarikan pada sisi kendor

R = radius puli

2472 Poros dengan beban momen bending saja

Bila poros mendapat beban momen bending maka tegangan

maksimum (tarik atau tekan) diberikan oleh persamaan bending

y

f

M b

Dimana

M = momen bending (kg-cm)

I = momen inersia luas penampang terhadap sumbu

putar (cm4)

fb = tegangan bending (kgcm2)

y = jari-jari poros (cm)

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

2

d y dan d

64

4

I

Setelah disubstitusikan didapat

3

b d f 32

M

28

Untuk poros berongga

2

d y )k-1(

64)-(

64

0

0

44

0

44

0 d

dkdddI i

i

Bila (I) dan (y) dimasukkan ke persamaan maka diperoleh

)k-1(d f 32

43

0b

M

2473 Poros dengan kombinasi torsi dan bending

Jika poros mendapat beban gabungan torsi dan momen bending

maka poros harus dirancang berdasarkan torsi dan momen bending

secara simultan Dalam kondisi beban gabungan ini ada dua teori

yang dipakai untuk menghitung kegagalan elastik bahan yaitu

1 Teori tegangan geser maksimum atau Guestrsquos theory

Digunakan untuk bahan yang ulet (ductile materials) seperti

mild steel

2 Teori tegangan normal maksimum atau Rankinesrsquotheory

Digunakan untuk bahan yang rapuh (brittle materials) seperti

besi tuang

Merujuk pada teori tegangan geser maksimum maka tegangan

geser maksimum pada poros

22

)( 42

1SbmakS fff

Dimana

fb = tegangan bending akibat momen bending

fs = tegangan geser akibat torsi

29

Bila dimasukkan nilai fb dan fS maka

22

3

2

3

2

3)(

16

164

32

2

1TM

dd

T

d

Mf maks

16

223

)( TMdfatau makS

Menurut pembebanannya maka poros diklasifikasikan ke dalam

beberapa jenis sebagai berikut

a Poros trasmisi merupakan bagian mesin yang berputar biasanya

bentuk penampangnya bulat digunakan untuk memindahkan daya

melalui putaran Penerusan daya dilakukan melalui roda gigi kopling

puli sabuk sprocket rantai

b As atau gandar bentuknya seperti poros tetapi biasanya tidak

berputar tidak memindahkan torsi dan digunakan untuk menumpu

roda yang berputar pulley roda gigi dsb

c Spindle (poros mesin) adalah poros pendek yang merupakan

bagian yang menyatu dengan mesinnya

Hal-hal penting di dalam perhitungan poros

1 Tegangan dan kekuatan

2 Kekuatan

a Kekuatan statis

b Kekuatan kelelahan

c Keandalan

30

3 Defleksi dan ketegaran (rigidity)

a Defleksi bengkok

b Defleksi puntir

c Slope pada bantalan dan elemen-elemen penumpu poros

d Defleksi geser akibat beban melintang pada poros pendek

4 Keterangan-keterangan poros

Di dalam perancangan pada poros kincir angin horizontal pada

umumnya lebih menggunakanbahan poros = S 35 C

248 Roda Gigi atau Gearbox

Roda gigi berfungsi untuk mentransmisikan daya dan putaran yaitu

dari putaran tinggi ke putaran rendah ataupun dari putaran rendah ke

putaran yang lebih tinggi sehingga daya yang dihasilkan dari sudu rotor

dapat ditransmisikan ke beban yang ingin di gerakkan (Sularso Kiyokatsu

Suga Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin)

2481 Perhitungan Dalam Roda Gigi

Dalam merancang roda gigi lurus prosedur berikut dapat

diikuti

Beban tangensial gigi diperoleh dari hubungan berikut

sT CV

PW

4500

31

Dimana

WT = beban tangensial gigi yang diijinkan (kg)

P = daya yang ditransmisikan (hp)

V = kecepatan keliling (mmenit)

(mmenit) 100

NDV

D = pitch diameter (cm)

N = kecepatan putar (rpm)

Cs = service factor (tabel)

Dalam transmisi roda gigi kita mengenal adanya input dan

output juga kita mengenal adanya Efisiensi gear Apabila putaran

keluaran output lebih rendah dari masukan input maka transmisi

disebut reduksi (reduction gear) tetapi apabila keluaran lebih cepat

dari pada masukan maka disebut inkrisi ( increaser gear) Kerjasama

lebih dari dua roda gigi disebut transmisi kereta api (train gear)

Perbadingan input dan output disebut perbandingan putaran

transmisi (speed ratio) dinyatakan dalam notasi i

Speed ratio i = n1 n2 = d2 d1 = z2 z1

Apabila

i lt 1 = transmisi roda gigi inkrisi

32

i gt 1 = transmisi roda gigi reduksi

dimana

n = Kecepatan (rpm)

d = Diameter ( in)

Z = Jumlah gigi

Perbandingan Gear ( Gear Ratio) variabel yang perlu diketahui

z = Jumlah gigi

d = Diameter

n = Kecepatan (speed)

τ = Torsi

2482 Klasifikasi Roda Gigi

Adapun roda gigi diklasifikasikan menurut beberapa hal yaitu

1 Menurut letak poros

2 Menurut bentuk alur gigi

3 Menurut arah putarannya

1 Menurut Letak Poros

Pembagian roda gigi menurut letak porosnya ada tiga macam yaitu

a Roda gigi dengan poros sejajar yaitu roda gigi di mana giginya

berjajar pada dua bidang silinder kedua bidang silinder tersebut

33

bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan

sumbu tetap sejajar Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

sejajar antara lain adalah

Roda gigi lurus

Roda gigi luar

Roda gigi miring

Roda gigi dalam

Roda gigi ganda

Roda gigi pinion

b Roda gigi dengan poros berpotongan yaitu roda gigi dimana giginya

berpotongan pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut

bersinggungan Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

berpotongan antara lain adalah

Roda gigi kerucut lurus

Roda gigi kerucut miring

Roda gigi kerucut spiral

Roda gigi kerucut miring ganda

Roda gigi permukaan

Roda gigi kerucut zerol

34

Gambar 26 Roda Gigi Sejajar Berpotongan dan Menyilang

c Roda gigi dengan poros silang yaitu roda gigi yang kedua sumbunya

saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan

gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan

menggelinding Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros silang

antara lain adalah

Roda gigi cacing silindris

Roda gigi hyperboloid

Roda gigi hipoid

Roda gigi cacing samping

2 Menurut Bentuk Alur Gigi

Pembagian roda gigi menurut bentuk alur giginya dibagi menjadi tiga

macam yaitu

a Roda gigi lurus yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan

sejajar dengan poros

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 15: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

23

Dalam hal ini dibutuhkan gaya drag lift di kali capture area

untuk mengetahui gaya angin yang sesungguhnya maka dapat

dihitung dengan rumus sebagai berikut

= A x Df helliphelliphelliphelliphelliphellip (Eric Hau 2005 86)

dimana

A = Luas Blade ( )

Df = Gaya drag (kg )

Gaya Df adalah gaya yang bekerja menabrak sudu turbin secara

horizontal yang dapat dihitung dengan rumus

Df = P sin szlig (kg )

244 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu

Jumlah sudu dapat ditetapkan berdasarkan harga satuan TSR

sebagaimana tabel berikut ini

Tabel 21 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu Berdasarkan TSR

λ 1 2 3 4 5-8 8-15

B 6-20 4-12 3-6 2-4 2-3 1-2

24

245 Geometri Bilah Sudu

Untuk memudahkan perhitungan jari-jari sudu dibagi menjadi 10

bagian dan diperoleh jari-jari lokal masing-masing bagian dari pusat rotor

adalah sebagai berikut

Tabel 22 Harga Radius Lokal Blade

r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10

02 04 06 08 100 120 140 160 180 200

Untuk menghitung rasio kecepatan lokal digunakan rumus dari

Djoyodihardjo (1983) sebagai berikut

λr1 = λ0

dimana

λr1 = Rasio kecepatan lokal

r = Jari-jari lokal dari pusat rotor (m)

λ0 = Rasio kecepatan ujung

R = Radius baling-baling (m)

25

246 Desain Ekor Pengarah (Tail)

Luas daun ekor pengarah dapat dihitung dengan menggunakan rumus

A 0 = 016 Ar

Dimana

A 0 = Luas daerah ekor pengarah (m2)

Ar = Luas sapuan rotor (m2)

IR = Jarak rotor ke sumbu vertikal menara (m)

IV = Jarak pusat daun ekor ke sumbu vertikal menara (m)

Ar =

247 Perencanaan Poros

Poros perlu dirancang berdasarkan pada

1 Kekuatan (strength)

2 Kekakuan (rigidity)

2471 Poros dengan beban torsi saja

Bila poros mendapat beban momen puntir atau torsi maka

diameter poros bisa diperoleh dengan menggunakan persamaan torsi

r

f

J

T S

Dimana

T = torsi yang bekerja pada poros (kg-cm)

J = momen inersia polar dari luas penampang (cm4)

fs = tegangan geser akibat torsi (kgcm2)

r = jarak dari sumbu netral ke bagian terluar (cm)

26

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

32

4dJ

Sehingga momen puntir pada poros adalah

3 16

dfT S

Untuk poros berongga

) -(32

44

0 iddJ

Dimana

d0 = diameter luar

di = diameter dalam

Dengan mensubstitusikan did0 = k maka didapat

0

i43

0sd

dk )k-(1 d f

16

T

Daya yang ditransmisikan oleh poros dapat diperoleh dari

60

NT2P

Dimana

P = daya (wat)

T = torsi (N-m)

N = kecepatan (rpm)

27

Dalam transmisi belt torsi diberikan dengan persamaan berikut

R)T - ( 21TT

Dimana

T1 = tarikan pada sisi kencang

T2 = tarikan pada sisi kendor

R = radius puli

2472 Poros dengan beban momen bending saja

Bila poros mendapat beban momen bending maka tegangan

maksimum (tarik atau tekan) diberikan oleh persamaan bending

y

f

M b

Dimana

M = momen bending (kg-cm)

I = momen inersia luas penampang terhadap sumbu

putar (cm4)

fb = tegangan bending (kgcm2)

y = jari-jari poros (cm)

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

2

d y dan d

64

4

I

Setelah disubstitusikan didapat

3

b d f 32

M

28

Untuk poros berongga

2

d y )k-1(

64)-(

64

0

0

44

0

44

0 d

dkdddI i

i

Bila (I) dan (y) dimasukkan ke persamaan maka diperoleh

)k-1(d f 32

43

0b

M

2473 Poros dengan kombinasi torsi dan bending

Jika poros mendapat beban gabungan torsi dan momen bending

maka poros harus dirancang berdasarkan torsi dan momen bending

secara simultan Dalam kondisi beban gabungan ini ada dua teori

yang dipakai untuk menghitung kegagalan elastik bahan yaitu

1 Teori tegangan geser maksimum atau Guestrsquos theory

Digunakan untuk bahan yang ulet (ductile materials) seperti

mild steel

2 Teori tegangan normal maksimum atau Rankinesrsquotheory

Digunakan untuk bahan yang rapuh (brittle materials) seperti

besi tuang

Merujuk pada teori tegangan geser maksimum maka tegangan

geser maksimum pada poros

22

)( 42

1SbmakS fff

Dimana

fb = tegangan bending akibat momen bending

fs = tegangan geser akibat torsi

29

Bila dimasukkan nilai fb dan fS maka

22

3

2

3

2

3)(

16

164

32

2

1TM

dd

T

d

Mf maks

16

223

)( TMdfatau makS

Menurut pembebanannya maka poros diklasifikasikan ke dalam

beberapa jenis sebagai berikut

a Poros trasmisi merupakan bagian mesin yang berputar biasanya

bentuk penampangnya bulat digunakan untuk memindahkan daya

melalui putaran Penerusan daya dilakukan melalui roda gigi kopling

puli sabuk sprocket rantai

b As atau gandar bentuknya seperti poros tetapi biasanya tidak

berputar tidak memindahkan torsi dan digunakan untuk menumpu

roda yang berputar pulley roda gigi dsb

c Spindle (poros mesin) adalah poros pendek yang merupakan

bagian yang menyatu dengan mesinnya

Hal-hal penting di dalam perhitungan poros

1 Tegangan dan kekuatan

2 Kekuatan

a Kekuatan statis

b Kekuatan kelelahan

c Keandalan

30

3 Defleksi dan ketegaran (rigidity)

a Defleksi bengkok

b Defleksi puntir

c Slope pada bantalan dan elemen-elemen penumpu poros

d Defleksi geser akibat beban melintang pada poros pendek

4 Keterangan-keterangan poros

Di dalam perancangan pada poros kincir angin horizontal pada

umumnya lebih menggunakanbahan poros = S 35 C

248 Roda Gigi atau Gearbox

Roda gigi berfungsi untuk mentransmisikan daya dan putaran yaitu

dari putaran tinggi ke putaran rendah ataupun dari putaran rendah ke

putaran yang lebih tinggi sehingga daya yang dihasilkan dari sudu rotor

dapat ditransmisikan ke beban yang ingin di gerakkan (Sularso Kiyokatsu

Suga Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin)

2481 Perhitungan Dalam Roda Gigi

Dalam merancang roda gigi lurus prosedur berikut dapat

diikuti

Beban tangensial gigi diperoleh dari hubungan berikut

sT CV

PW

4500

31

Dimana

WT = beban tangensial gigi yang diijinkan (kg)

P = daya yang ditransmisikan (hp)

V = kecepatan keliling (mmenit)

(mmenit) 100

NDV

D = pitch diameter (cm)

N = kecepatan putar (rpm)

Cs = service factor (tabel)

Dalam transmisi roda gigi kita mengenal adanya input dan

output juga kita mengenal adanya Efisiensi gear Apabila putaran

keluaran output lebih rendah dari masukan input maka transmisi

disebut reduksi (reduction gear) tetapi apabila keluaran lebih cepat

dari pada masukan maka disebut inkrisi ( increaser gear) Kerjasama

lebih dari dua roda gigi disebut transmisi kereta api (train gear)

Perbadingan input dan output disebut perbandingan putaran

transmisi (speed ratio) dinyatakan dalam notasi i

Speed ratio i = n1 n2 = d2 d1 = z2 z1

Apabila

i lt 1 = transmisi roda gigi inkrisi

32

i gt 1 = transmisi roda gigi reduksi

dimana

n = Kecepatan (rpm)

d = Diameter ( in)

Z = Jumlah gigi

Perbandingan Gear ( Gear Ratio) variabel yang perlu diketahui

z = Jumlah gigi

d = Diameter

n = Kecepatan (speed)

τ = Torsi

2482 Klasifikasi Roda Gigi

Adapun roda gigi diklasifikasikan menurut beberapa hal yaitu

1 Menurut letak poros

2 Menurut bentuk alur gigi

3 Menurut arah putarannya

1 Menurut Letak Poros

Pembagian roda gigi menurut letak porosnya ada tiga macam yaitu

a Roda gigi dengan poros sejajar yaitu roda gigi di mana giginya

berjajar pada dua bidang silinder kedua bidang silinder tersebut

33

bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan

sumbu tetap sejajar Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

sejajar antara lain adalah

Roda gigi lurus

Roda gigi luar

Roda gigi miring

Roda gigi dalam

Roda gigi ganda

Roda gigi pinion

b Roda gigi dengan poros berpotongan yaitu roda gigi dimana giginya

berpotongan pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut

bersinggungan Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

berpotongan antara lain adalah

Roda gigi kerucut lurus

Roda gigi kerucut miring

Roda gigi kerucut spiral

Roda gigi kerucut miring ganda

Roda gigi permukaan

Roda gigi kerucut zerol

34

Gambar 26 Roda Gigi Sejajar Berpotongan dan Menyilang

c Roda gigi dengan poros silang yaitu roda gigi yang kedua sumbunya

saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan

gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan

menggelinding Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros silang

antara lain adalah

Roda gigi cacing silindris

Roda gigi hyperboloid

Roda gigi hipoid

Roda gigi cacing samping

2 Menurut Bentuk Alur Gigi

Pembagian roda gigi menurut bentuk alur giginya dibagi menjadi tiga

macam yaitu

a Roda gigi lurus yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan

sejajar dengan poros

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 16: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

24

245 Geometri Bilah Sudu

Untuk memudahkan perhitungan jari-jari sudu dibagi menjadi 10

bagian dan diperoleh jari-jari lokal masing-masing bagian dari pusat rotor

adalah sebagai berikut

Tabel 22 Harga Radius Lokal Blade

r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10

02 04 06 08 100 120 140 160 180 200

Untuk menghitung rasio kecepatan lokal digunakan rumus dari

Djoyodihardjo (1983) sebagai berikut

λr1 = λ0

dimana

λr1 = Rasio kecepatan lokal

r = Jari-jari lokal dari pusat rotor (m)

λ0 = Rasio kecepatan ujung

R = Radius baling-baling (m)

25

246 Desain Ekor Pengarah (Tail)

Luas daun ekor pengarah dapat dihitung dengan menggunakan rumus

A 0 = 016 Ar

Dimana

A 0 = Luas daerah ekor pengarah (m2)

Ar = Luas sapuan rotor (m2)

IR = Jarak rotor ke sumbu vertikal menara (m)

IV = Jarak pusat daun ekor ke sumbu vertikal menara (m)

Ar =

247 Perencanaan Poros

Poros perlu dirancang berdasarkan pada

1 Kekuatan (strength)

2 Kekakuan (rigidity)

2471 Poros dengan beban torsi saja

Bila poros mendapat beban momen puntir atau torsi maka

diameter poros bisa diperoleh dengan menggunakan persamaan torsi

r

f

J

T S

Dimana

T = torsi yang bekerja pada poros (kg-cm)

J = momen inersia polar dari luas penampang (cm4)

fs = tegangan geser akibat torsi (kgcm2)

r = jarak dari sumbu netral ke bagian terluar (cm)

26

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

32

4dJ

Sehingga momen puntir pada poros adalah

3 16

dfT S

Untuk poros berongga

) -(32

44

0 iddJ

Dimana

d0 = diameter luar

di = diameter dalam

Dengan mensubstitusikan did0 = k maka didapat

0

i43

0sd

dk )k-(1 d f

16

T

Daya yang ditransmisikan oleh poros dapat diperoleh dari

60

NT2P

Dimana

P = daya (wat)

T = torsi (N-m)

N = kecepatan (rpm)

27

Dalam transmisi belt torsi diberikan dengan persamaan berikut

R)T - ( 21TT

Dimana

T1 = tarikan pada sisi kencang

T2 = tarikan pada sisi kendor

R = radius puli

2472 Poros dengan beban momen bending saja

Bila poros mendapat beban momen bending maka tegangan

maksimum (tarik atau tekan) diberikan oleh persamaan bending

y

f

M b

Dimana

M = momen bending (kg-cm)

I = momen inersia luas penampang terhadap sumbu

putar (cm4)

fb = tegangan bending (kgcm2)

y = jari-jari poros (cm)

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

2

d y dan d

64

4

I

Setelah disubstitusikan didapat

3

b d f 32

M

28

Untuk poros berongga

2

d y )k-1(

64)-(

64

0

0

44

0

44

0 d

dkdddI i

i

Bila (I) dan (y) dimasukkan ke persamaan maka diperoleh

)k-1(d f 32

43

0b

M

2473 Poros dengan kombinasi torsi dan bending

Jika poros mendapat beban gabungan torsi dan momen bending

maka poros harus dirancang berdasarkan torsi dan momen bending

secara simultan Dalam kondisi beban gabungan ini ada dua teori

yang dipakai untuk menghitung kegagalan elastik bahan yaitu

1 Teori tegangan geser maksimum atau Guestrsquos theory

Digunakan untuk bahan yang ulet (ductile materials) seperti

mild steel

2 Teori tegangan normal maksimum atau Rankinesrsquotheory

Digunakan untuk bahan yang rapuh (brittle materials) seperti

besi tuang

Merujuk pada teori tegangan geser maksimum maka tegangan

geser maksimum pada poros

22

)( 42

1SbmakS fff

Dimana

fb = tegangan bending akibat momen bending

fs = tegangan geser akibat torsi

29

Bila dimasukkan nilai fb dan fS maka

22

3

2

3

2

3)(

16

164

32

2

1TM

dd

T

d

Mf maks

16

223

)( TMdfatau makS

Menurut pembebanannya maka poros diklasifikasikan ke dalam

beberapa jenis sebagai berikut

a Poros trasmisi merupakan bagian mesin yang berputar biasanya

bentuk penampangnya bulat digunakan untuk memindahkan daya

melalui putaran Penerusan daya dilakukan melalui roda gigi kopling

puli sabuk sprocket rantai

b As atau gandar bentuknya seperti poros tetapi biasanya tidak

berputar tidak memindahkan torsi dan digunakan untuk menumpu

roda yang berputar pulley roda gigi dsb

c Spindle (poros mesin) adalah poros pendek yang merupakan

bagian yang menyatu dengan mesinnya

Hal-hal penting di dalam perhitungan poros

1 Tegangan dan kekuatan

2 Kekuatan

a Kekuatan statis

b Kekuatan kelelahan

c Keandalan

30

3 Defleksi dan ketegaran (rigidity)

a Defleksi bengkok

b Defleksi puntir

c Slope pada bantalan dan elemen-elemen penumpu poros

d Defleksi geser akibat beban melintang pada poros pendek

4 Keterangan-keterangan poros

Di dalam perancangan pada poros kincir angin horizontal pada

umumnya lebih menggunakanbahan poros = S 35 C

248 Roda Gigi atau Gearbox

Roda gigi berfungsi untuk mentransmisikan daya dan putaran yaitu

dari putaran tinggi ke putaran rendah ataupun dari putaran rendah ke

putaran yang lebih tinggi sehingga daya yang dihasilkan dari sudu rotor

dapat ditransmisikan ke beban yang ingin di gerakkan (Sularso Kiyokatsu

Suga Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin)

2481 Perhitungan Dalam Roda Gigi

Dalam merancang roda gigi lurus prosedur berikut dapat

diikuti

Beban tangensial gigi diperoleh dari hubungan berikut

sT CV

PW

4500

31

Dimana

WT = beban tangensial gigi yang diijinkan (kg)

P = daya yang ditransmisikan (hp)

V = kecepatan keliling (mmenit)

(mmenit) 100

NDV

D = pitch diameter (cm)

N = kecepatan putar (rpm)

Cs = service factor (tabel)

Dalam transmisi roda gigi kita mengenal adanya input dan

output juga kita mengenal adanya Efisiensi gear Apabila putaran

keluaran output lebih rendah dari masukan input maka transmisi

disebut reduksi (reduction gear) tetapi apabila keluaran lebih cepat

dari pada masukan maka disebut inkrisi ( increaser gear) Kerjasama

lebih dari dua roda gigi disebut transmisi kereta api (train gear)

Perbadingan input dan output disebut perbandingan putaran

transmisi (speed ratio) dinyatakan dalam notasi i

Speed ratio i = n1 n2 = d2 d1 = z2 z1

Apabila

i lt 1 = transmisi roda gigi inkrisi

32

i gt 1 = transmisi roda gigi reduksi

dimana

n = Kecepatan (rpm)

d = Diameter ( in)

Z = Jumlah gigi

Perbandingan Gear ( Gear Ratio) variabel yang perlu diketahui

z = Jumlah gigi

d = Diameter

n = Kecepatan (speed)

τ = Torsi

2482 Klasifikasi Roda Gigi

Adapun roda gigi diklasifikasikan menurut beberapa hal yaitu

1 Menurut letak poros

2 Menurut bentuk alur gigi

3 Menurut arah putarannya

1 Menurut Letak Poros

Pembagian roda gigi menurut letak porosnya ada tiga macam yaitu

a Roda gigi dengan poros sejajar yaitu roda gigi di mana giginya

berjajar pada dua bidang silinder kedua bidang silinder tersebut

33

bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan

sumbu tetap sejajar Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

sejajar antara lain adalah

Roda gigi lurus

Roda gigi luar

Roda gigi miring

Roda gigi dalam

Roda gigi ganda

Roda gigi pinion

b Roda gigi dengan poros berpotongan yaitu roda gigi dimana giginya

berpotongan pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut

bersinggungan Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

berpotongan antara lain adalah

Roda gigi kerucut lurus

Roda gigi kerucut miring

Roda gigi kerucut spiral

Roda gigi kerucut miring ganda

Roda gigi permukaan

Roda gigi kerucut zerol

34

Gambar 26 Roda Gigi Sejajar Berpotongan dan Menyilang

c Roda gigi dengan poros silang yaitu roda gigi yang kedua sumbunya

saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan

gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan

menggelinding Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros silang

antara lain adalah

Roda gigi cacing silindris

Roda gigi hyperboloid

Roda gigi hipoid

Roda gigi cacing samping

2 Menurut Bentuk Alur Gigi

Pembagian roda gigi menurut bentuk alur giginya dibagi menjadi tiga

macam yaitu

a Roda gigi lurus yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan

sejajar dengan poros

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 17: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

25

246 Desain Ekor Pengarah (Tail)

Luas daun ekor pengarah dapat dihitung dengan menggunakan rumus

A 0 = 016 Ar

Dimana

A 0 = Luas daerah ekor pengarah (m2)

Ar = Luas sapuan rotor (m2)

IR = Jarak rotor ke sumbu vertikal menara (m)

IV = Jarak pusat daun ekor ke sumbu vertikal menara (m)

Ar =

247 Perencanaan Poros

Poros perlu dirancang berdasarkan pada

1 Kekuatan (strength)

2 Kekakuan (rigidity)

2471 Poros dengan beban torsi saja

Bila poros mendapat beban momen puntir atau torsi maka

diameter poros bisa diperoleh dengan menggunakan persamaan torsi

r

f

J

T S

Dimana

T = torsi yang bekerja pada poros (kg-cm)

J = momen inersia polar dari luas penampang (cm4)

fs = tegangan geser akibat torsi (kgcm2)

r = jarak dari sumbu netral ke bagian terluar (cm)

26

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

32

4dJ

Sehingga momen puntir pada poros adalah

3 16

dfT S

Untuk poros berongga

) -(32

44

0 iddJ

Dimana

d0 = diameter luar

di = diameter dalam

Dengan mensubstitusikan did0 = k maka didapat

0

i43

0sd

dk )k-(1 d f

16

T

Daya yang ditransmisikan oleh poros dapat diperoleh dari

60

NT2P

Dimana

P = daya (wat)

T = torsi (N-m)

N = kecepatan (rpm)

27

Dalam transmisi belt torsi diberikan dengan persamaan berikut

R)T - ( 21TT

Dimana

T1 = tarikan pada sisi kencang

T2 = tarikan pada sisi kendor

R = radius puli

2472 Poros dengan beban momen bending saja

Bila poros mendapat beban momen bending maka tegangan

maksimum (tarik atau tekan) diberikan oleh persamaan bending

y

f

M b

Dimana

M = momen bending (kg-cm)

I = momen inersia luas penampang terhadap sumbu

putar (cm4)

fb = tegangan bending (kgcm2)

y = jari-jari poros (cm)

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

2

d y dan d

64

4

I

Setelah disubstitusikan didapat

3

b d f 32

M

28

Untuk poros berongga

2

d y )k-1(

64)-(

64

0

0

44

0

44

0 d

dkdddI i

i

Bila (I) dan (y) dimasukkan ke persamaan maka diperoleh

)k-1(d f 32

43

0b

M

2473 Poros dengan kombinasi torsi dan bending

Jika poros mendapat beban gabungan torsi dan momen bending

maka poros harus dirancang berdasarkan torsi dan momen bending

secara simultan Dalam kondisi beban gabungan ini ada dua teori

yang dipakai untuk menghitung kegagalan elastik bahan yaitu

1 Teori tegangan geser maksimum atau Guestrsquos theory

Digunakan untuk bahan yang ulet (ductile materials) seperti

mild steel

2 Teori tegangan normal maksimum atau Rankinesrsquotheory

Digunakan untuk bahan yang rapuh (brittle materials) seperti

besi tuang

Merujuk pada teori tegangan geser maksimum maka tegangan

geser maksimum pada poros

22

)( 42

1SbmakS fff

Dimana

fb = tegangan bending akibat momen bending

fs = tegangan geser akibat torsi

29

Bila dimasukkan nilai fb dan fS maka

22

3

2

3

2

3)(

16

164

32

2

1TM

dd

T

d

Mf maks

16

223

)( TMdfatau makS

Menurut pembebanannya maka poros diklasifikasikan ke dalam

beberapa jenis sebagai berikut

a Poros trasmisi merupakan bagian mesin yang berputar biasanya

bentuk penampangnya bulat digunakan untuk memindahkan daya

melalui putaran Penerusan daya dilakukan melalui roda gigi kopling

puli sabuk sprocket rantai

b As atau gandar bentuknya seperti poros tetapi biasanya tidak

berputar tidak memindahkan torsi dan digunakan untuk menumpu

roda yang berputar pulley roda gigi dsb

c Spindle (poros mesin) adalah poros pendek yang merupakan

bagian yang menyatu dengan mesinnya

Hal-hal penting di dalam perhitungan poros

1 Tegangan dan kekuatan

2 Kekuatan

a Kekuatan statis

b Kekuatan kelelahan

c Keandalan

30

3 Defleksi dan ketegaran (rigidity)

a Defleksi bengkok

b Defleksi puntir

c Slope pada bantalan dan elemen-elemen penumpu poros

d Defleksi geser akibat beban melintang pada poros pendek

4 Keterangan-keterangan poros

Di dalam perancangan pada poros kincir angin horizontal pada

umumnya lebih menggunakanbahan poros = S 35 C

248 Roda Gigi atau Gearbox

Roda gigi berfungsi untuk mentransmisikan daya dan putaran yaitu

dari putaran tinggi ke putaran rendah ataupun dari putaran rendah ke

putaran yang lebih tinggi sehingga daya yang dihasilkan dari sudu rotor

dapat ditransmisikan ke beban yang ingin di gerakkan (Sularso Kiyokatsu

Suga Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin)

2481 Perhitungan Dalam Roda Gigi

Dalam merancang roda gigi lurus prosedur berikut dapat

diikuti

Beban tangensial gigi diperoleh dari hubungan berikut

sT CV

PW

4500

31

Dimana

WT = beban tangensial gigi yang diijinkan (kg)

P = daya yang ditransmisikan (hp)

V = kecepatan keliling (mmenit)

(mmenit) 100

NDV

D = pitch diameter (cm)

N = kecepatan putar (rpm)

Cs = service factor (tabel)

Dalam transmisi roda gigi kita mengenal adanya input dan

output juga kita mengenal adanya Efisiensi gear Apabila putaran

keluaran output lebih rendah dari masukan input maka transmisi

disebut reduksi (reduction gear) tetapi apabila keluaran lebih cepat

dari pada masukan maka disebut inkrisi ( increaser gear) Kerjasama

lebih dari dua roda gigi disebut transmisi kereta api (train gear)

Perbadingan input dan output disebut perbandingan putaran

transmisi (speed ratio) dinyatakan dalam notasi i

Speed ratio i = n1 n2 = d2 d1 = z2 z1

Apabila

i lt 1 = transmisi roda gigi inkrisi

32

i gt 1 = transmisi roda gigi reduksi

dimana

n = Kecepatan (rpm)

d = Diameter ( in)

Z = Jumlah gigi

Perbandingan Gear ( Gear Ratio) variabel yang perlu diketahui

z = Jumlah gigi

d = Diameter

n = Kecepatan (speed)

τ = Torsi

2482 Klasifikasi Roda Gigi

Adapun roda gigi diklasifikasikan menurut beberapa hal yaitu

1 Menurut letak poros

2 Menurut bentuk alur gigi

3 Menurut arah putarannya

1 Menurut Letak Poros

Pembagian roda gigi menurut letak porosnya ada tiga macam yaitu

a Roda gigi dengan poros sejajar yaitu roda gigi di mana giginya

berjajar pada dua bidang silinder kedua bidang silinder tersebut

33

bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan

sumbu tetap sejajar Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

sejajar antara lain adalah

Roda gigi lurus

Roda gigi luar

Roda gigi miring

Roda gigi dalam

Roda gigi ganda

Roda gigi pinion

b Roda gigi dengan poros berpotongan yaitu roda gigi dimana giginya

berpotongan pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut

bersinggungan Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

berpotongan antara lain adalah

Roda gigi kerucut lurus

Roda gigi kerucut miring

Roda gigi kerucut spiral

Roda gigi kerucut miring ganda

Roda gigi permukaan

Roda gigi kerucut zerol

34

Gambar 26 Roda Gigi Sejajar Berpotongan dan Menyilang

c Roda gigi dengan poros silang yaitu roda gigi yang kedua sumbunya

saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan

gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan

menggelinding Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros silang

antara lain adalah

Roda gigi cacing silindris

Roda gigi hyperboloid

Roda gigi hipoid

Roda gigi cacing samping

2 Menurut Bentuk Alur Gigi

Pembagian roda gigi menurut bentuk alur giginya dibagi menjadi tiga

macam yaitu

a Roda gigi lurus yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan

sejajar dengan poros

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 18: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

26

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

32

4dJ

Sehingga momen puntir pada poros adalah

3 16

dfT S

Untuk poros berongga

) -(32

44

0 iddJ

Dimana

d0 = diameter luar

di = diameter dalam

Dengan mensubstitusikan did0 = k maka didapat

0

i43

0sd

dk )k-(1 d f

16

T

Daya yang ditransmisikan oleh poros dapat diperoleh dari

60

NT2P

Dimana

P = daya (wat)

T = torsi (N-m)

N = kecepatan (rpm)

27

Dalam transmisi belt torsi diberikan dengan persamaan berikut

R)T - ( 21TT

Dimana

T1 = tarikan pada sisi kencang

T2 = tarikan pada sisi kendor

R = radius puli

2472 Poros dengan beban momen bending saja

Bila poros mendapat beban momen bending maka tegangan

maksimum (tarik atau tekan) diberikan oleh persamaan bending

y

f

M b

Dimana

M = momen bending (kg-cm)

I = momen inersia luas penampang terhadap sumbu

putar (cm4)

fb = tegangan bending (kgcm2)

y = jari-jari poros (cm)

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

2

d y dan d

64

4

I

Setelah disubstitusikan didapat

3

b d f 32

M

28

Untuk poros berongga

2

d y )k-1(

64)-(

64

0

0

44

0

44

0 d

dkdddI i

i

Bila (I) dan (y) dimasukkan ke persamaan maka diperoleh

)k-1(d f 32

43

0b

M

2473 Poros dengan kombinasi torsi dan bending

Jika poros mendapat beban gabungan torsi dan momen bending

maka poros harus dirancang berdasarkan torsi dan momen bending

secara simultan Dalam kondisi beban gabungan ini ada dua teori

yang dipakai untuk menghitung kegagalan elastik bahan yaitu

1 Teori tegangan geser maksimum atau Guestrsquos theory

Digunakan untuk bahan yang ulet (ductile materials) seperti

mild steel

2 Teori tegangan normal maksimum atau Rankinesrsquotheory

Digunakan untuk bahan yang rapuh (brittle materials) seperti

besi tuang

Merujuk pada teori tegangan geser maksimum maka tegangan

geser maksimum pada poros

22

)( 42

1SbmakS fff

Dimana

fb = tegangan bending akibat momen bending

fs = tegangan geser akibat torsi

29

Bila dimasukkan nilai fb dan fS maka

22

3

2

3

2

3)(

16

164

32

2

1TM

dd

T

d

Mf maks

16

223

)( TMdfatau makS

Menurut pembebanannya maka poros diklasifikasikan ke dalam

beberapa jenis sebagai berikut

a Poros trasmisi merupakan bagian mesin yang berputar biasanya

bentuk penampangnya bulat digunakan untuk memindahkan daya

melalui putaran Penerusan daya dilakukan melalui roda gigi kopling

puli sabuk sprocket rantai

b As atau gandar bentuknya seperti poros tetapi biasanya tidak

berputar tidak memindahkan torsi dan digunakan untuk menumpu

roda yang berputar pulley roda gigi dsb

c Spindle (poros mesin) adalah poros pendek yang merupakan

bagian yang menyatu dengan mesinnya

Hal-hal penting di dalam perhitungan poros

1 Tegangan dan kekuatan

2 Kekuatan

a Kekuatan statis

b Kekuatan kelelahan

c Keandalan

30

3 Defleksi dan ketegaran (rigidity)

a Defleksi bengkok

b Defleksi puntir

c Slope pada bantalan dan elemen-elemen penumpu poros

d Defleksi geser akibat beban melintang pada poros pendek

4 Keterangan-keterangan poros

Di dalam perancangan pada poros kincir angin horizontal pada

umumnya lebih menggunakanbahan poros = S 35 C

248 Roda Gigi atau Gearbox

Roda gigi berfungsi untuk mentransmisikan daya dan putaran yaitu

dari putaran tinggi ke putaran rendah ataupun dari putaran rendah ke

putaran yang lebih tinggi sehingga daya yang dihasilkan dari sudu rotor

dapat ditransmisikan ke beban yang ingin di gerakkan (Sularso Kiyokatsu

Suga Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin)

2481 Perhitungan Dalam Roda Gigi

Dalam merancang roda gigi lurus prosedur berikut dapat

diikuti

Beban tangensial gigi diperoleh dari hubungan berikut

sT CV

PW

4500

31

Dimana

WT = beban tangensial gigi yang diijinkan (kg)

P = daya yang ditransmisikan (hp)

V = kecepatan keliling (mmenit)

(mmenit) 100

NDV

D = pitch diameter (cm)

N = kecepatan putar (rpm)

Cs = service factor (tabel)

Dalam transmisi roda gigi kita mengenal adanya input dan

output juga kita mengenal adanya Efisiensi gear Apabila putaran

keluaran output lebih rendah dari masukan input maka transmisi

disebut reduksi (reduction gear) tetapi apabila keluaran lebih cepat

dari pada masukan maka disebut inkrisi ( increaser gear) Kerjasama

lebih dari dua roda gigi disebut transmisi kereta api (train gear)

Perbadingan input dan output disebut perbandingan putaran

transmisi (speed ratio) dinyatakan dalam notasi i

Speed ratio i = n1 n2 = d2 d1 = z2 z1

Apabila

i lt 1 = transmisi roda gigi inkrisi

32

i gt 1 = transmisi roda gigi reduksi

dimana

n = Kecepatan (rpm)

d = Diameter ( in)

Z = Jumlah gigi

Perbandingan Gear ( Gear Ratio) variabel yang perlu diketahui

z = Jumlah gigi

d = Diameter

n = Kecepatan (speed)

τ = Torsi

2482 Klasifikasi Roda Gigi

Adapun roda gigi diklasifikasikan menurut beberapa hal yaitu

1 Menurut letak poros

2 Menurut bentuk alur gigi

3 Menurut arah putarannya

1 Menurut Letak Poros

Pembagian roda gigi menurut letak porosnya ada tiga macam yaitu

a Roda gigi dengan poros sejajar yaitu roda gigi di mana giginya

berjajar pada dua bidang silinder kedua bidang silinder tersebut

33

bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan

sumbu tetap sejajar Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

sejajar antara lain adalah

Roda gigi lurus

Roda gigi luar

Roda gigi miring

Roda gigi dalam

Roda gigi ganda

Roda gigi pinion

b Roda gigi dengan poros berpotongan yaitu roda gigi dimana giginya

berpotongan pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut

bersinggungan Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

berpotongan antara lain adalah

Roda gigi kerucut lurus

Roda gigi kerucut miring

Roda gigi kerucut spiral

Roda gigi kerucut miring ganda

Roda gigi permukaan

Roda gigi kerucut zerol

34

Gambar 26 Roda Gigi Sejajar Berpotongan dan Menyilang

c Roda gigi dengan poros silang yaitu roda gigi yang kedua sumbunya

saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan

gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan

menggelinding Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros silang

antara lain adalah

Roda gigi cacing silindris

Roda gigi hyperboloid

Roda gigi hipoid

Roda gigi cacing samping

2 Menurut Bentuk Alur Gigi

Pembagian roda gigi menurut bentuk alur giginya dibagi menjadi tiga

macam yaitu

a Roda gigi lurus yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan

sejajar dengan poros

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 19: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

27

Dalam transmisi belt torsi diberikan dengan persamaan berikut

R)T - ( 21TT

Dimana

T1 = tarikan pada sisi kencang

T2 = tarikan pada sisi kendor

R = radius puli

2472 Poros dengan beban momen bending saja

Bila poros mendapat beban momen bending maka tegangan

maksimum (tarik atau tekan) diberikan oleh persamaan bending

y

f

M b

Dimana

M = momen bending (kg-cm)

I = momen inersia luas penampang terhadap sumbu

putar (cm4)

fb = tegangan bending (kgcm2)

y = jari-jari poros (cm)

Untuk poros pejal berpenampang lingkaran

2

d y dan d

64

4

I

Setelah disubstitusikan didapat

3

b d f 32

M

28

Untuk poros berongga

2

d y )k-1(

64)-(

64

0

0

44

0

44

0 d

dkdddI i

i

Bila (I) dan (y) dimasukkan ke persamaan maka diperoleh

)k-1(d f 32

43

0b

M

2473 Poros dengan kombinasi torsi dan bending

Jika poros mendapat beban gabungan torsi dan momen bending

maka poros harus dirancang berdasarkan torsi dan momen bending

secara simultan Dalam kondisi beban gabungan ini ada dua teori

yang dipakai untuk menghitung kegagalan elastik bahan yaitu

1 Teori tegangan geser maksimum atau Guestrsquos theory

Digunakan untuk bahan yang ulet (ductile materials) seperti

mild steel

2 Teori tegangan normal maksimum atau Rankinesrsquotheory

Digunakan untuk bahan yang rapuh (brittle materials) seperti

besi tuang

Merujuk pada teori tegangan geser maksimum maka tegangan

geser maksimum pada poros

22

)( 42

1SbmakS fff

Dimana

fb = tegangan bending akibat momen bending

fs = tegangan geser akibat torsi

29

Bila dimasukkan nilai fb dan fS maka

22

3

2

3

2

3)(

16

164

32

2

1TM

dd

T

d

Mf maks

16

223

)( TMdfatau makS

Menurut pembebanannya maka poros diklasifikasikan ke dalam

beberapa jenis sebagai berikut

a Poros trasmisi merupakan bagian mesin yang berputar biasanya

bentuk penampangnya bulat digunakan untuk memindahkan daya

melalui putaran Penerusan daya dilakukan melalui roda gigi kopling

puli sabuk sprocket rantai

b As atau gandar bentuknya seperti poros tetapi biasanya tidak

berputar tidak memindahkan torsi dan digunakan untuk menumpu

roda yang berputar pulley roda gigi dsb

c Spindle (poros mesin) adalah poros pendek yang merupakan

bagian yang menyatu dengan mesinnya

Hal-hal penting di dalam perhitungan poros

1 Tegangan dan kekuatan

2 Kekuatan

a Kekuatan statis

b Kekuatan kelelahan

c Keandalan

30

3 Defleksi dan ketegaran (rigidity)

a Defleksi bengkok

b Defleksi puntir

c Slope pada bantalan dan elemen-elemen penumpu poros

d Defleksi geser akibat beban melintang pada poros pendek

4 Keterangan-keterangan poros

Di dalam perancangan pada poros kincir angin horizontal pada

umumnya lebih menggunakanbahan poros = S 35 C

248 Roda Gigi atau Gearbox

Roda gigi berfungsi untuk mentransmisikan daya dan putaran yaitu

dari putaran tinggi ke putaran rendah ataupun dari putaran rendah ke

putaran yang lebih tinggi sehingga daya yang dihasilkan dari sudu rotor

dapat ditransmisikan ke beban yang ingin di gerakkan (Sularso Kiyokatsu

Suga Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin)

2481 Perhitungan Dalam Roda Gigi

Dalam merancang roda gigi lurus prosedur berikut dapat

diikuti

Beban tangensial gigi diperoleh dari hubungan berikut

sT CV

PW

4500

31

Dimana

WT = beban tangensial gigi yang diijinkan (kg)

P = daya yang ditransmisikan (hp)

V = kecepatan keliling (mmenit)

(mmenit) 100

NDV

D = pitch diameter (cm)

N = kecepatan putar (rpm)

Cs = service factor (tabel)

Dalam transmisi roda gigi kita mengenal adanya input dan

output juga kita mengenal adanya Efisiensi gear Apabila putaran

keluaran output lebih rendah dari masukan input maka transmisi

disebut reduksi (reduction gear) tetapi apabila keluaran lebih cepat

dari pada masukan maka disebut inkrisi ( increaser gear) Kerjasama

lebih dari dua roda gigi disebut transmisi kereta api (train gear)

Perbadingan input dan output disebut perbandingan putaran

transmisi (speed ratio) dinyatakan dalam notasi i

Speed ratio i = n1 n2 = d2 d1 = z2 z1

Apabila

i lt 1 = transmisi roda gigi inkrisi

32

i gt 1 = transmisi roda gigi reduksi

dimana

n = Kecepatan (rpm)

d = Diameter ( in)

Z = Jumlah gigi

Perbandingan Gear ( Gear Ratio) variabel yang perlu diketahui

z = Jumlah gigi

d = Diameter

n = Kecepatan (speed)

τ = Torsi

2482 Klasifikasi Roda Gigi

Adapun roda gigi diklasifikasikan menurut beberapa hal yaitu

1 Menurut letak poros

2 Menurut bentuk alur gigi

3 Menurut arah putarannya

1 Menurut Letak Poros

Pembagian roda gigi menurut letak porosnya ada tiga macam yaitu

a Roda gigi dengan poros sejajar yaitu roda gigi di mana giginya

berjajar pada dua bidang silinder kedua bidang silinder tersebut

33

bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan

sumbu tetap sejajar Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

sejajar antara lain adalah

Roda gigi lurus

Roda gigi luar

Roda gigi miring

Roda gigi dalam

Roda gigi ganda

Roda gigi pinion

b Roda gigi dengan poros berpotongan yaitu roda gigi dimana giginya

berpotongan pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut

bersinggungan Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

berpotongan antara lain adalah

Roda gigi kerucut lurus

Roda gigi kerucut miring

Roda gigi kerucut spiral

Roda gigi kerucut miring ganda

Roda gigi permukaan

Roda gigi kerucut zerol

34

Gambar 26 Roda Gigi Sejajar Berpotongan dan Menyilang

c Roda gigi dengan poros silang yaitu roda gigi yang kedua sumbunya

saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan

gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan

menggelinding Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros silang

antara lain adalah

Roda gigi cacing silindris

Roda gigi hyperboloid

Roda gigi hipoid

Roda gigi cacing samping

2 Menurut Bentuk Alur Gigi

Pembagian roda gigi menurut bentuk alur giginya dibagi menjadi tiga

macam yaitu

a Roda gigi lurus yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan

sejajar dengan poros

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 20: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

28

Untuk poros berongga

2

d y )k-1(

64)-(

64

0

0

44

0

44

0 d

dkdddI i

i

Bila (I) dan (y) dimasukkan ke persamaan maka diperoleh

)k-1(d f 32

43

0b

M

2473 Poros dengan kombinasi torsi dan bending

Jika poros mendapat beban gabungan torsi dan momen bending

maka poros harus dirancang berdasarkan torsi dan momen bending

secara simultan Dalam kondisi beban gabungan ini ada dua teori

yang dipakai untuk menghitung kegagalan elastik bahan yaitu

1 Teori tegangan geser maksimum atau Guestrsquos theory

Digunakan untuk bahan yang ulet (ductile materials) seperti

mild steel

2 Teori tegangan normal maksimum atau Rankinesrsquotheory

Digunakan untuk bahan yang rapuh (brittle materials) seperti

besi tuang

Merujuk pada teori tegangan geser maksimum maka tegangan

geser maksimum pada poros

22

)( 42

1SbmakS fff

Dimana

fb = tegangan bending akibat momen bending

fs = tegangan geser akibat torsi

29

Bila dimasukkan nilai fb dan fS maka

22

3

2

3

2

3)(

16

164

32

2

1TM

dd

T

d

Mf maks

16

223

)( TMdfatau makS

Menurut pembebanannya maka poros diklasifikasikan ke dalam

beberapa jenis sebagai berikut

a Poros trasmisi merupakan bagian mesin yang berputar biasanya

bentuk penampangnya bulat digunakan untuk memindahkan daya

melalui putaran Penerusan daya dilakukan melalui roda gigi kopling

puli sabuk sprocket rantai

b As atau gandar bentuknya seperti poros tetapi biasanya tidak

berputar tidak memindahkan torsi dan digunakan untuk menumpu

roda yang berputar pulley roda gigi dsb

c Spindle (poros mesin) adalah poros pendek yang merupakan

bagian yang menyatu dengan mesinnya

Hal-hal penting di dalam perhitungan poros

1 Tegangan dan kekuatan

2 Kekuatan

a Kekuatan statis

b Kekuatan kelelahan

c Keandalan

30

3 Defleksi dan ketegaran (rigidity)

a Defleksi bengkok

b Defleksi puntir

c Slope pada bantalan dan elemen-elemen penumpu poros

d Defleksi geser akibat beban melintang pada poros pendek

4 Keterangan-keterangan poros

Di dalam perancangan pada poros kincir angin horizontal pada

umumnya lebih menggunakanbahan poros = S 35 C

248 Roda Gigi atau Gearbox

Roda gigi berfungsi untuk mentransmisikan daya dan putaran yaitu

dari putaran tinggi ke putaran rendah ataupun dari putaran rendah ke

putaran yang lebih tinggi sehingga daya yang dihasilkan dari sudu rotor

dapat ditransmisikan ke beban yang ingin di gerakkan (Sularso Kiyokatsu

Suga Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin)

2481 Perhitungan Dalam Roda Gigi

Dalam merancang roda gigi lurus prosedur berikut dapat

diikuti

Beban tangensial gigi diperoleh dari hubungan berikut

sT CV

PW

4500

31

Dimana

WT = beban tangensial gigi yang diijinkan (kg)

P = daya yang ditransmisikan (hp)

V = kecepatan keliling (mmenit)

(mmenit) 100

NDV

D = pitch diameter (cm)

N = kecepatan putar (rpm)

Cs = service factor (tabel)

Dalam transmisi roda gigi kita mengenal adanya input dan

output juga kita mengenal adanya Efisiensi gear Apabila putaran

keluaran output lebih rendah dari masukan input maka transmisi

disebut reduksi (reduction gear) tetapi apabila keluaran lebih cepat

dari pada masukan maka disebut inkrisi ( increaser gear) Kerjasama

lebih dari dua roda gigi disebut transmisi kereta api (train gear)

Perbadingan input dan output disebut perbandingan putaran

transmisi (speed ratio) dinyatakan dalam notasi i

Speed ratio i = n1 n2 = d2 d1 = z2 z1

Apabila

i lt 1 = transmisi roda gigi inkrisi

32

i gt 1 = transmisi roda gigi reduksi

dimana

n = Kecepatan (rpm)

d = Diameter ( in)

Z = Jumlah gigi

Perbandingan Gear ( Gear Ratio) variabel yang perlu diketahui

z = Jumlah gigi

d = Diameter

n = Kecepatan (speed)

τ = Torsi

2482 Klasifikasi Roda Gigi

Adapun roda gigi diklasifikasikan menurut beberapa hal yaitu

1 Menurut letak poros

2 Menurut bentuk alur gigi

3 Menurut arah putarannya

1 Menurut Letak Poros

Pembagian roda gigi menurut letak porosnya ada tiga macam yaitu

a Roda gigi dengan poros sejajar yaitu roda gigi di mana giginya

berjajar pada dua bidang silinder kedua bidang silinder tersebut

33

bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan

sumbu tetap sejajar Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

sejajar antara lain adalah

Roda gigi lurus

Roda gigi luar

Roda gigi miring

Roda gigi dalam

Roda gigi ganda

Roda gigi pinion

b Roda gigi dengan poros berpotongan yaitu roda gigi dimana giginya

berpotongan pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut

bersinggungan Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

berpotongan antara lain adalah

Roda gigi kerucut lurus

Roda gigi kerucut miring

Roda gigi kerucut spiral

Roda gigi kerucut miring ganda

Roda gigi permukaan

Roda gigi kerucut zerol

34

Gambar 26 Roda Gigi Sejajar Berpotongan dan Menyilang

c Roda gigi dengan poros silang yaitu roda gigi yang kedua sumbunya

saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan

gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan

menggelinding Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros silang

antara lain adalah

Roda gigi cacing silindris

Roda gigi hyperboloid

Roda gigi hipoid

Roda gigi cacing samping

2 Menurut Bentuk Alur Gigi

Pembagian roda gigi menurut bentuk alur giginya dibagi menjadi tiga

macam yaitu

a Roda gigi lurus yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan

sejajar dengan poros

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 21: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

29

Bila dimasukkan nilai fb dan fS maka

22

3

2

3

2

3)(

16

164

32

2

1TM

dd

T

d

Mf maks

16

223

)( TMdfatau makS

Menurut pembebanannya maka poros diklasifikasikan ke dalam

beberapa jenis sebagai berikut

a Poros trasmisi merupakan bagian mesin yang berputar biasanya

bentuk penampangnya bulat digunakan untuk memindahkan daya

melalui putaran Penerusan daya dilakukan melalui roda gigi kopling

puli sabuk sprocket rantai

b As atau gandar bentuknya seperti poros tetapi biasanya tidak

berputar tidak memindahkan torsi dan digunakan untuk menumpu

roda yang berputar pulley roda gigi dsb

c Spindle (poros mesin) adalah poros pendek yang merupakan

bagian yang menyatu dengan mesinnya

Hal-hal penting di dalam perhitungan poros

1 Tegangan dan kekuatan

2 Kekuatan

a Kekuatan statis

b Kekuatan kelelahan

c Keandalan

30

3 Defleksi dan ketegaran (rigidity)

a Defleksi bengkok

b Defleksi puntir

c Slope pada bantalan dan elemen-elemen penumpu poros

d Defleksi geser akibat beban melintang pada poros pendek

4 Keterangan-keterangan poros

Di dalam perancangan pada poros kincir angin horizontal pada

umumnya lebih menggunakanbahan poros = S 35 C

248 Roda Gigi atau Gearbox

Roda gigi berfungsi untuk mentransmisikan daya dan putaran yaitu

dari putaran tinggi ke putaran rendah ataupun dari putaran rendah ke

putaran yang lebih tinggi sehingga daya yang dihasilkan dari sudu rotor

dapat ditransmisikan ke beban yang ingin di gerakkan (Sularso Kiyokatsu

Suga Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin)

2481 Perhitungan Dalam Roda Gigi

Dalam merancang roda gigi lurus prosedur berikut dapat

diikuti

Beban tangensial gigi diperoleh dari hubungan berikut

sT CV

PW

4500

31

Dimana

WT = beban tangensial gigi yang diijinkan (kg)

P = daya yang ditransmisikan (hp)

V = kecepatan keliling (mmenit)

(mmenit) 100

NDV

D = pitch diameter (cm)

N = kecepatan putar (rpm)

Cs = service factor (tabel)

Dalam transmisi roda gigi kita mengenal adanya input dan

output juga kita mengenal adanya Efisiensi gear Apabila putaran

keluaran output lebih rendah dari masukan input maka transmisi

disebut reduksi (reduction gear) tetapi apabila keluaran lebih cepat

dari pada masukan maka disebut inkrisi ( increaser gear) Kerjasama

lebih dari dua roda gigi disebut transmisi kereta api (train gear)

Perbadingan input dan output disebut perbandingan putaran

transmisi (speed ratio) dinyatakan dalam notasi i

Speed ratio i = n1 n2 = d2 d1 = z2 z1

Apabila

i lt 1 = transmisi roda gigi inkrisi

32

i gt 1 = transmisi roda gigi reduksi

dimana

n = Kecepatan (rpm)

d = Diameter ( in)

Z = Jumlah gigi

Perbandingan Gear ( Gear Ratio) variabel yang perlu diketahui

z = Jumlah gigi

d = Diameter

n = Kecepatan (speed)

τ = Torsi

2482 Klasifikasi Roda Gigi

Adapun roda gigi diklasifikasikan menurut beberapa hal yaitu

1 Menurut letak poros

2 Menurut bentuk alur gigi

3 Menurut arah putarannya

1 Menurut Letak Poros

Pembagian roda gigi menurut letak porosnya ada tiga macam yaitu

a Roda gigi dengan poros sejajar yaitu roda gigi di mana giginya

berjajar pada dua bidang silinder kedua bidang silinder tersebut

33

bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan

sumbu tetap sejajar Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

sejajar antara lain adalah

Roda gigi lurus

Roda gigi luar

Roda gigi miring

Roda gigi dalam

Roda gigi ganda

Roda gigi pinion

b Roda gigi dengan poros berpotongan yaitu roda gigi dimana giginya

berpotongan pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut

bersinggungan Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

berpotongan antara lain adalah

Roda gigi kerucut lurus

Roda gigi kerucut miring

Roda gigi kerucut spiral

Roda gigi kerucut miring ganda

Roda gigi permukaan

Roda gigi kerucut zerol

34

Gambar 26 Roda Gigi Sejajar Berpotongan dan Menyilang

c Roda gigi dengan poros silang yaitu roda gigi yang kedua sumbunya

saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan

gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan

menggelinding Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros silang

antara lain adalah

Roda gigi cacing silindris

Roda gigi hyperboloid

Roda gigi hipoid

Roda gigi cacing samping

2 Menurut Bentuk Alur Gigi

Pembagian roda gigi menurut bentuk alur giginya dibagi menjadi tiga

macam yaitu

a Roda gigi lurus yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan

sejajar dengan poros

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 22: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

30

3 Defleksi dan ketegaran (rigidity)

a Defleksi bengkok

b Defleksi puntir

c Slope pada bantalan dan elemen-elemen penumpu poros

d Defleksi geser akibat beban melintang pada poros pendek

4 Keterangan-keterangan poros

Di dalam perancangan pada poros kincir angin horizontal pada

umumnya lebih menggunakanbahan poros = S 35 C

248 Roda Gigi atau Gearbox

Roda gigi berfungsi untuk mentransmisikan daya dan putaran yaitu

dari putaran tinggi ke putaran rendah ataupun dari putaran rendah ke

putaran yang lebih tinggi sehingga daya yang dihasilkan dari sudu rotor

dapat ditransmisikan ke beban yang ingin di gerakkan (Sularso Kiyokatsu

Suga Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin)

2481 Perhitungan Dalam Roda Gigi

Dalam merancang roda gigi lurus prosedur berikut dapat

diikuti

Beban tangensial gigi diperoleh dari hubungan berikut

sT CV

PW

4500

31

Dimana

WT = beban tangensial gigi yang diijinkan (kg)

P = daya yang ditransmisikan (hp)

V = kecepatan keliling (mmenit)

(mmenit) 100

NDV

D = pitch diameter (cm)

N = kecepatan putar (rpm)

Cs = service factor (tabel)

Dalam transmisi roda gigi kita mengenal adanya input dan

output juga kita mengenal adanya Efisiensi gear Apabila putaran

keluaran output lebih rendah dari masukan input maka transmisi

disebut reduksi (reduction gear) tetapi apabila keluaran lebih cepat

dari pada masukan maka disebut inkrisi ( increaser gear) Kerjasama

lebih dari dua roda gigi disebut transmisi kereta api (train gear)

Perbadingan input dan output disebut perbandingan putaran

transmisi (speed ratio) dinyatakan dalam notasi i

Speed ratio i = n1 n2 = d2 d1 = z2 z1

Apabila

i lt 1 = transmisi roda gigi inkrisi

32

i gt 1 = transmisi roda gigi reduksi

dimana

n = Kecepatan (rpm)

d = Diameter ( in)

Z = Jumlah gigi

Perbandingan Gear ( Gear Ratio) variabel yang perlu diketahui

z = Jumlah gigi

d = Diameter

n = Kecepatan (speed)

τ = Torsi

2482 Klasifikasi Roda Gigi

Adapun roda gigi diklasifikasikan menurut beberapa hal yaitu

1 Menurut letak poros

2 Menurut bentuk alur gigi

3 Menurut arah putarannya

1 Menurut Letak Poros

Pembagian roda gigi menurut letak porosnya ada tiga macam yaitu

a Roda gigi dengan poros sejajar yaitu roda gigi di mana giginya

berjajar pada dua bidang silinder kedua bidang silinder tersebut

33

bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan

sumbu tetap sejajar Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

sejajar antara lain adalah

Roda gigi lurus

Roda gigi luar

Roda gigi miring

Roda gigi dalam

Roda gigi ganda

Roda gigi pinion

b Roda gigi dengan poros berpotongan yaitu roda gigi dimana giginya

berpotongan pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut

bersinggungan Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

berpotongan antara lain adalah

Roda gigi kerucut lurus

Roda gigi kerucut miring

Roda gigi kerucut spiral

Roda gigi kerucut miring ganda

Roda gigi permukaan

Roda gigi kerucut zerol

34

Gambar 26 Roda Gigi Sejajar Berpotongan dan Menyilang

c Roda gigi dengan poros silang yaitu roda gigi yang kedua sumbunya

saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan

gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan

menggelinding Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros silang

antara lain adalah

Roda gigi cacing silindris

Roda gigi hyperboloid

Roda gigi hipoid

Roda gigi cacing samping

2 Menurut Bentuk Alur Gigi

Pembagian roda gigi menurut bentuk alur giginya dibagi menjadi tiga

macam yaitu

a Roda gigi lurus yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan

sejajar dengan poros

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 23: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

31

Dimana

WT = beban tangensial gigi yang diijinkan (kg)

P = daya yang ditransmisikan (hp)

V = kecepatan keliling (mmenit)

(mmenit) 100

NDV

D = pitch diameter (cm)

N = kecepatan putar (rpm)

Cs = service factor (tabel)

Dalam transmisi roda gigi kita mengenal adanya input dan

output juga kita mengenal adanya Efisiensi gear Apabila putaran

keluaran output lebih rendah dari masukan input maka transmisi

disebut reduksi (reduction gear) tetapi apabila keluaran lebih cepat

dari pada masukan maka disebut inkrisi ( increaser gear) Kerjasama

lebih dari dua roda gigi disebut transmisi kereta api (train gear)

Perbadingan input dan output disebut perbandingan putaran

transmisi (speed ratio) dinyatakan dalam notasi i

Speed ratio i = n1 n2 = d2 d1 = z2 z1

Apabila

i lt 1 = transmisi roda gigi inkrisi

32

i gt 1 = transmisi roda gigi reduksi

dimana

n = Kecepatan (rpm)

d = Diameter ( in)

Z = Jumlah gigi

Perbandingan Gear ( Gear Ratio) variabel yang perlu diketahui

z = Jumlah gigi

d = Diameter

n = Kecepatan (speed)

τ = Torsi

2482 Klasifikasi Roda Gigi

Adapun roda gigi diklasifikasikan menurut beberapa hal yaitu

1 Menurut letak poros

2 Menurut bentuk alur gigi

3 Menurut arah putarannya

1 Menurut Letak Poros

Pembagian roda gigi menurut letak porosnya ada tiga macam yaitu

a Roda gigi dengan poros sejajar yaitu roda gigi di mana giginya

berjajar pada dua bidang silinder kedua bidang silinder tersebut

33

bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan

sumbu tetap sejajar Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

sejajar antara lain adalah

Roda gigi lurus

Roda gigi luar

Roda gigi miring

Roda gigi dalam

Roda gigi ganda

Roda gigi pinion

b Roda gigi dengan poros berpotongan yaitu roda gigi dimana giginya

berpotongan pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut

bersinggungan Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

berpotongan antara lain adalah

Roda gigi kerucut lurus

Roda gigi kerucut miring

Roda gigi kerucut spiral

Roda gigi kerucut miring ganda

Roda gigi permukaan

Roda gigi kerucut zerol

34

Gambar 26 Roda Gigi Sejajar Berpotongan dan Menyilang

c Roda gigi dengan poros silang yaitu roda gigi yang kedua sumbunya

saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan

gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan

menggelinding Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros silang

antara lain adalah

Roda gigi cacing silindris

Roda gigi hyperboloid

Roda gigi hipoid

Roda gigi cacing samping

2 Menurut Bentuk Alur Gigi

Pembagian roda gigi menurut bentuk alur giginya dibagi menjadi tiga

macam yaitu

a Roda gigi lurus yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan

sejajar dengan poros

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 24: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

32

i gt 1 = transmisi roda gigi reduksi

dimana

n = Kecepatan (rpm)

d = Diameter ( in)

Z = Jumlah gigi

Perbandingan Gear ( Gear Ratio) variabel yang perlu diketahui

z = Jumlah gigi

d = Diameter

n = Kecepatan (speed)

τ = Torsi

2482 Klasifikasi Roda Gigi

Adapun roda gigi diklasifikasikan menurut beberapa hal yaitu

1 Menurut letak poros

2 Menurut bentuk alur gigi

3 Menurut arah putarannya

1 Menurut Letak Poros

Pembagian roda gigi menurut letak porosnya ada tiga macam yaitu

a Roda gigi dengan poros sejajar yaitu roda gigi di mana giginya

berjajar pada dua bidang silinder kedua bidang silinder tersebut

33

bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan

sumbu tetap sejajar Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

sejajar antara lain adalah

Roda gigi lurus

Roda gigi luar

Roda gigi miring

Roda gigi dalam

Roda gigi ganda

Roda gigi pinion

b Roda gigi dengan poros berpotongan yaitu roda gigi dimana giginya

berpotongan pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut

bersinggungan Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

berpotongan antara lain adalah

Roda gigi kerucut lurus

Roda gigi kerucut miring

Roda gigi kerucut spiral

Roda gigi kerucut miring ganda

Roda gigi permukaan

Roda gigi kerucut zerol

34

Gambar 26 Roda Gigi Sejajar Berpotongan dan Menyilang

c Roda gigi dengan poros silang yaitu roda gigi yang kedua sumbunya

saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan

gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan

menggelinding Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros silang

antara lain adalah

Roda gigi cacing silindris

Roda gigi hyperboloid

Roda gigi hipoid

Roda gigi cacing samping

2 Menurut Bentuk Alur Gigi

Pembagian roda gigi menurut bentuk alur giginya dibagi menjadi tiga

macam yaitu

a Roda gigi lurus yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan

sejajar dengan poros

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 25: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

33

bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan

sumbu tetap sejajar Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

sejajar antara lain adalah

Roda gigi lurus

Roda gigi luar

Roda gigi miring

Roda gigi dalam

Roda gigi ganda

Roda gigi pinion

b Roda gigi dengan poros berpotongan yaitu roda gigi dimana giginya

berpotongan pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut

bersinggungan Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros

berpotongan antara lain adalah

Roda gigi kerucut lurus

Roda gigi kerucut miring

Roda gigi kerucut spiral

Roda gigi kerucut miring ganda

Roda gigi permukaan

Roda gigi kerucut zerol

34

Gambar 26 Roda Gigi Sejajar Berpotongan dan Menyilang

c Roda gigi dengan poros silang yaitu roda gigi yang kedua sumbunya

saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan

gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan

menggelinding Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros silang

antara lain adalah

Roda gigi cacing silindris

Roda gigi hyperboloid

Roda gigi hipoid

Roda gigi cacing samping

2 Menurut Bentuk Alur Gigi

Pembagian roda gigi menurut bentuk alur giginya dibagi menjadi tiga

macam yaitu

a Roda gigi lurus yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan

sejajar dengan poros

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 26: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

34

Gambar 26 Roda Gigi Sejajar Berpotongan dan Menyilang

c Roda gigi dengan poros silang yaitu roda gigi yang kedua sumbunya

saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan

gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan

menggelinding Adapun roda gigi yang termasuk dalam poros silang

antara lain adalah

Roda gigi cacing silindris

Roda gigi hyperboloid

Roda gigi hipoid

Roda gigi cacing samping

2 Menurut Bentuk Alur Gigi

Pembagian roda gigi menurut bentuk alur giginya dibagi menjadi tiga

macam yaitu

a Roda gigi lurus yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan

sejajar dengan poros

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 27: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

35

b Roda gigi miring yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki kemiringan tertentu

c Roda gigi miring ganda yaitu roda gigi dengan bentuk alur giginya

memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya

3 Menurut Arah Putarannya

Pembagian roda gigi menurut arah putarannya dibagi menjadi dua

macam yaitu

a Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda

gigi yang digerakkannya

b Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda

gigi yang digerakkannya

249 Sistem Furling

2491 Pengertian Umum Furling

Side furling adalah mekanisme pengaman turbin augin pada

kecepatan angin tinggi Jika kecepaan angin sangat tinggi ada

beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantaranya

1 Putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar

2 Putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 28: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

36

3 Angin yang besar menyebabkan gaya dorong yang besar pada

struktur

Karena alasan-alasan tersebut perlu dibuat mekanisme

pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan sangat tinggi Pada saat

ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi

kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan

menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja

berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling

Sistem pengendali dalam sistem ini menggunakan tail ( Ekor )

sebagai controler Tail berfungsi menjaga Blade (sudu) tetap pada arah

datangnya angin dan menghindarkan turbin dari angin yang

berlebihan Tail merupakan bagian sistem mekanik dari turbin angin

ketika terjadi proses yawing dan furling Sistem furling akan

mencegah kerusakan pada bagian bagian turbin angin seperti pada

sudu (rotor) dan generator pada saat angin bertiup kencang Secara

efektif membuat lebih aman dan memberikan pengaturan daya output

turbin angin tersebut

Sistem Furling manual yang akan dirancang menggunakan

sebuah tuas atau lengan dan sayapnya yang bekerja secara manual

untuk memutar turbin menjauhi angin yang sangant kencang Dalam

operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan gabungan gravitasi

dan gaya dorong angin untuk memutar ekor ( furling ) dan memutar

turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada pangkal ekor terdapat sumbu

pivot yang bekerja seperti sebuah engsel sederhana

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 29: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

37

Rumus untuk menghitung keseimbangan antara berat ekor dan

gaya dorong turbin ( Thrust ) Thrust =

Dimana

D = Diameter Sudu (m)

V = Kecepatan Angin (ms)

2492 Prinsip Kerja Furling

Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada

sumbu rotasi rotor Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan

dengan sumbu yaw mechanism Eksentrisitas ini diberikan agar ketika

kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar

maka turbin angin akan mendapat momen dan gaya thrust dikalikan

dengan jarak eksentrisitas yang diberikan

Besarnya eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa

faktor diantaranya

1 Pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling

2 Besanrya gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut

tertentu

3 Sudutnya yang diinginkan untuk side furling

Faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa

kali iterasi agar mendapat nilai eksentnisitas yang sesuai Jika nilai

eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 30: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

38

furling sebelum kecepatan augin kritis Side furling yang terlalu dini

menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap

energi saat side furling Namun side furling yang terlambat akan

membahayakan turbin angin artinya side furling terjadi setelah

kecepatan angin lebih tinggi dan kecepatan kritis dan dapat

menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan

side furling Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal

ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan

pada turbin angin Side furling memerlukan perhitungan yang tidak

sederhana Pada tulisan ini penvusun tidak melakukan perhitungan

detaii untuk mendapatkan nilai eksentrisitas tetapi mengambii contoh

dan turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side

furling untuk memberi perlidungan pada turbin angin pada kecepatan

angin tinggi

Pada pengendali kincir angin ini menggunakan teknik kendali

loop terbuka Pada sistem kendali loop terbuka gambar diagram

bloknya dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 27 Diagram Blok Sistem Terbuka

Sistem loop terbuka ini dapat diibaratkan seperti seseorang yang

bekerja dengan mata tertutup sehingga keakuratan dan ketelitian yang

akan diperoleh akan sangat minimum sekali karena pada sistem ini

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 31: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

39

elemen input yang masuk adalah tidak dipengaruhi oleh elemen

output sehingga hasil output yang akan didapatkan adalah

tergantung kepada elemen input yang masuk kepada sistem

pengendali

Gambar 28 Sistem Furling pada Keadaan Angin Normal

Gambar 29 Sistem Furling pada Keadaan Angin Medium

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 32: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

40

Gambar 210 Sistem Furling pada Keadaan Angin Badai

Gambar 211 Sistem Furling

Jadi sistem side furling merupakan pengendali kecepatan

putaran pada kincir angin yang terletak pada ekor ( tail ) dengan

memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor Eksentrisitas ini

diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust

yang terjadi juga besar maka turbin angin akan mendapat momen

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2

Page 33: BAB II LANDASAN TEORI - eprints.umm.ac.ideprints.umm.ac.id/40724/3/BAB II.pdf9 BAB II. LANDASAN TEORI. 2.1. Energi Angin. Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat

41

Dalam operasinya sistem furling mekanik memanfaatkan

gabungan gravitasi dan gaya dorong angin untuk memutar ekor (

furling ) dan memutar turbin ( yawing ) secara bersamaan Pada

pangkal ekor terdapat sumbu pivot yang bekerja seperti sebuah engsel

sederhana

2410 Tegangan Geser

Besarnya torsi T dan gaya tangensial F dihitung berdasarkan daya P

dan putaran n yang diteruskan oleh poros

T = danF =

(Eric Hau Wind Turbines Fundamentals 2005 85)

Gaya F ini akan menimbulkan tegangan geser pada penampang pasak

seluas A = bxl sehingga gaya ini dapat juga dinyatakan sebagai

F = b L

Dimana

F = gaya tangensial (N)

T = torsi )

n = jumlah putaran permenit (rpm)

d = diameter poros (m)

b = lebar poros (m)

L = lebar pasak (m

h = tinggi pasak (m)

= tegangan geser kgm2